«П. А. Торопов, Б. А. Терентьев Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Методическое пособие Проект ПРООН / ГЭФ / МКИ СОхРаНеНИе бИОРазНООбРазИя в РОССИйСКОй чаСтИ алтае-СаяНСКОГО ...»

МЕТОДИЧЕСКОЕ

ПОСОБИЕ

П. А. Торопов, Б. А. Терентьев

Гидрометеорологический мониторинг

в экосистемах ООПТ

Алтае-Саянского экорегиона

Методическое пособие

Проект ПРООН / ГЭФ / МКИ

СОхРаНеНИе бИОРазНООбРазИя в РОССИйСКОй чаСтИ

алтае-СаяНСКОГО ЭКОРеГИОНа

П. А. Торопов, Б. А. Терентьев

Гидрометеорологический мониторинг

в экосистемах ООПТ

Алтае-Саянского экорегиона Методическое пособие WWF России Москва • 2011 Авторы:

П. А. Торопов, Б. А. Терентьев Рецензенты:

к. г. н. Н. Л. Фролова, к. г. н. Г. В. Суркова Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона. Методическое пособие / Торопов П. А., Терентьев Б. А.; Всемирный фонд дикой природы (WWF России).

Проект ПРООН/ГЭФ/МКИ «Сохранение биоразнообразия в российской части Алтае-Саянского экорегиона» – М., 2011. – 132 с.

В пособии излагаются основные принципы стандартных гидрометеорологических наблюдений, рекомендованных Всемирной метеорологической организацией и Росгидрометом. Особое внимание уделяется наблюдениям в горных районах:

приводится описание оборудования, которое можно наиболее эффективно использовать для измерений в горах, даются общие рекомендации по выбору местоположений для точек метеорологических и гидрологических наблюдений. Кроме того, рассматриваются некоторые методы первичной обработки гидрометеорологической информации.

Пособие предназначено для работников особо охраняемых природных территорий, участников научно-исследовательских эколого-географических экспедиций. Данное пособие может быть использовано в качестве учебного студентами, обучающимися по специальностям «география», «геоэкология», «метеорология», «гидрометеорология», «гидрология».

Авторы благодарят Д. Л. Луговую (WWF России) и Т. В. Яшину (Проект ПРООН/ГЭФ/МКИ «Сохранение биоразнообразия в российской части АлтаеСаянского экорегиона») за активную поддержку в подготовке данного издания.

Редактор: Е. А. Воронкова Дизайн, верстка: А. Ю. Филиппов Фотографии на обложке: © Виктория Элиас / WWF России Издание осуществлено при финансовой поддержке проекта ПРООН/ГЭФ/МКИ «Сохранение биоразнообразия в российской части Алтае-Саянского экорегиона».

Программа Развития Организации Объединенных Наций (ПРООН) является глобальной сетью ООН в области развития, выступающей за позитивные изменения в жизни людей путем предоставления доступа к источникам знаний, опыта и ресурсов.

Мнение авторов публикации не обязательно отражает точку зрения, заявляемую в ПРООН, в учреждениях системы ООН и организациях, сотрудниками которых являются авторы.

Издание является некоммерческим и распространяется бесплатно.

© UNDP © WWF Все права защищены Содержание введение Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений 1.1. Метеорологические наблюдения 1.2. Гидрологические наблюдения 1.3. Гляциологические наблюдения Глава 2. автоматическое оборудование для полевых гидрометеорологических наблюдений 2.1. Использование автоматических метеостанций 2.2. Система удаленного мониторинга HOBO-U30-NRC-10-S100- Глава 3. Гидрометеорологические наблюдения на территории алтае-Саянского экорегиона 3.1. Краткая физико-географическая и климатическая характеристика Алтае-Саянского экорегиона 3.2. Рекомендации по установке автоматических станций на территории АСЭ 3.3. Первичная обработка данных наблюдений литература Приложения введение Мониторинг – это систематический сбор количественной и качественной информации о параметрах исследуемого объекта, ее первичная обработка и анализ, а также оценка и прогнозирование изменений свойств этого объекта. В принципе термин «мониторинг» можно заменить словосочетанием «систематические исследования». Однако под мониторингом обычно понимается сбор информации, которая используется в процессе принятия решения, а также для информирования общественности об изменении свойств наблюдаемого объекта. Только лишь получение данных об объекте, например с научноисследовательскими целями, нельзя назвать мониторингом.

Гидрометеорологический мониторинг – это оперативная система сбора и первичной обработки информации о состоянии воздуха, водных объектов и ледников через строго определенные временные интервалы, а также ее передачи по каналам связи (теле-, радиокоммуникации, Интернет) и представление в удобном для потребителя виде.

В этом смысле работа таких государственных структур, как Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Федеральное агентство водных ресурсов, Федеральное агентство по недропользованию, Федеральная служба по надзору в сфере природопользования, сводится к мониторингу атмосферы и гидросферы, однако лишь в том случае, если не только их подразделения, но и органы власти получают информацию о состоянии природной среды, которая используется для принятия тех или иных решений. Рост числа природных и техногенных катастроф в последние годы свидетельствует о необходимости развития систем мониторинга. Так, практически во всех крупных европейских городах осуществляется мониторинг экологического состояния воздуха и водных объектов. Широкое применение нашел спутниковый мониторинг – оперативное слежение за природными явлениями (лесные пожары, распространение загрязняющих веществ в морях и океанах и т.д.). Использование такого рода систем позволяет принимать эффективные решения в случае возникновения чрезвычайной ситуации. Путь к достижению баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона ды, который в последнее время чаще называют устойчивым развитием, предполагает активное применение самых разнообразных систем мониторинга природной среды.

Важность гидрометеорологического мониторинга в экосистемах горных районов обусловлена рядом причин. Во-первых, в горных районах, как правило, часто повторяются опасные гидрометеорологические явления, которые наносят большой экономический ущерб и самое главное – уносят жизни людей (паводки на реках, лавины, сели и оползни). Все эти процессы являются следствием погодных явлений, в первую очередь – обильных осадков. Таким образом, оперативные наблюдения за атмосферными осадками, а также за расходом горных рек, таяньем ледников, уровнем воды в горных озерах и т. д.

являются необходимыми составляющими мониторинга. Во-вторых, оперативные гидрометеорологические наблюдения в таких районах служат источниками данных для численных и статистических прогнозов погоды. И, наконец, в-третьих, горные экологические регионы нередко являются охраняемыми уникальными природными объектами.

Разумеется, природоохранные мероприятия, а также использование рекреационных ресурсов горных районов требуют гидрометеорологических изысканий.

Гидрометеорологические наблюдения в горах имеют свою специфику, отличную от измерений на равнинных территориях и морских акваториях. В данном пособии излагаются основные принципы гидрометеорологических наблюдений в горах и дается описание оборудования, которое можно наиболее эффективно использовать с этой целью.

Кроме того, рассматриваются некоторые методы первичной обработки гидрометеорологической информации.

Материал структурирован следующим образом. Первая глава посвящена обзору проблем, связанных с гидрометеорологическими наблюдениями. Излагаются общие принципы гидрометеорологических измерений и организации гидрометеорологической сети, вводятся базовые понятия и определения метеорологических и гидрологических величин, а также основные понятия, связанные со статистической структурой метеорологических полей. Отдельно обсуждаются общие особенности гидрометеорологических наблюдений в горных условиях.

Вторая глава посвящена использованию автоматических метеостанций в полевых условиях. Рассматриваются положительные и отрицательные стороны автоматизированных наблюдений, приводятся Введение примеры автоматических станций различных производителей, формулируются принципы выбора оборудования для тех или иных исследовательских задач. Подробно описана метеостанция HOBO, которую предполагается широко использовать для метеонаблюдений в АлтаеСаянском экорегионе.

Третья глава представляет собой рекомендации по проведению гидрометеорологических работ в Алтае-Саянском экорегионе. Приводится краткая климатическая справка, описаны основные принципы выбора точек наблюдений. По каждой из охраняемых территорий даются рекомендации по организации точек наблюдений. Также описаны проcтейшие методы обработки гидрометеорологической информации.

6 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Глава Общие принципы гидрометеорологических наблюдений 1.1. Метеорологические наблюдения 1.1.1. Общие понятия Метеорологическими наблюдениями называют количественные измерения метеорологических величин, а также регистрацию атмосферных явлений. Метеорологические наблюдения делятся на контактные и дистанционные.

Контактные измерения основаны на физическом контакте приемной части прибора непосредственно с воздушной средой. К ним относится весь комплекс измерений на метеорологических станциях, а также аэрологическое, самолетное и ракетное зондирование атмосферы.

Дистанционные наблюдения основаны на методах пассивной и активной локации. Пассивная локация представляет собой измерение электромагнитного излучения, исходящего от объекта. К методам пассивной локации относят все многообразие спутниковых измерений.

При активной локации прибор (локатор) сам испускает электромагнитные или звуковые волны, фиксируя отраженный от объекта электромагнитный (звуковой) сигнал. К методам активной локации относятся радиолокационные, лидарные (лазерные), содарные (звуковые) наблюдения. Интенсивность излучения (в случае пассивной локации) или электромагнитного (акустического) эха (в случае активной локации) по специально разработанным физическим методикам переводится в количественные величины, характеризующие состояние объекта. Так, по данным спутниковых радиометров восстанавливается температура и влагосодержание атмосферного воздуха, температура верхней границы облачности, водность облаков, температура земной поверхности, морское волнение, альбедо земной поверхности и облаков и т. д. По данным радиолокаторов восстанавливают вертикальную мощность облаков и их водность, интенсивность выпадающих осадков, а по результатам лидарного и содарного зондирования – вертикальные профили температуры, характеристик влажности, концентраций аэрозолей и др.

Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений К метеорологическим величинам относятся атмосферное давление, температура воздуха и характеристики влажности (парциальное давление, массовая доля водяного пара, отношение смеси), скорость и направление ветра, количество осадков, потоки тепла и лучистой энергии, количество облаков и высота их нижней границы, метеорологическая дальность видимости, толщина гололедных или смешанных отложений и изморози. К ним также относят величины, непосредственно не отражающие свойства атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними. Это температура поверхности почвы, высота снежного покрова и продолжительность его залегания, продолжительность солнечного сияния. Помимо необходимого списка метеорологических количественных величин существует еще обязательный перечень атмосферных явлений, которые также отмечаются на всех станциях ВМО. Это тип облачности, атмосферные явления (туман, метель, гроза, град, шквал, смерч, морось, роса, изморозь, гололед, туман, пыльная буря), оптические явления (гало, радуга, венец, солнечные столбы и др.). Каждый из этих элементов выражается не количественно, а качественно, т. е.

по принципу «есть явление» или «нет явления». Некоторые из элементов перечисленного списка также классифицируются по простой шкале интенсивности (слабое явление, умеренное, сильное). Это относится к туману, граду, мороси, изморози, гололеду, грозе, метели и пыльной буре.

Перечисленные выше метеорологические наблюдения осуществляются на наземных метеорологических станциях и называются наземными метеорологическими наблюдениями. Помимо них существуют аэрологические наблюдения, которые представляют собой измерения основных метеорологических величин (давления, температуры, влажности, скорости и направления ветра) в свободной атмосфере на определенных, строго фиксированных вертикальных уровнях (изобарических поверхностях). Эти наблюдения необходимы для составления прогноза погоды как синоптическими, так и численными методами, а также для обслуживания авиации.

Наблюдения за состоянием высоких слоев атмосферы (выше 40 км над уровнем моря) называются аэрономическими. К ним в первую очередь относится ракетное зондирование атмосферы. Подробнее с организацией метеорологических наблюдений можно ознакомиться в [18,21] 8 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона 1.1.2. Метеорологические станции и метеорологическая сеть Метеорологическая станция – это учреждение для производства метеорологических наблюдений в месте, удовлетворяющем требованиям в отношении рельефа и других природных особенностей района, а также близости зданий, промышленных и транспортных объектов.

Метеорологическая станция должна располагаться в месте, наиболее типичном для района, в котором планируется производить метеорологические наблюдения. Она состоит из метеорологической площадки, где расположены основные приборы для метеорологических наблюдений, и отапливаемого здания, где живет и работает персонал станции, устанавливаются барометры и барографы, содержится запасной инвентарь. Метеорологическая станция оборудуется стандартной для данной сети аппаратурой, с помощью которой производятся наблюдения в установленные сроки и в определенной последовательности.

Атмосфера – самая подвижная оболочка земного шара. Поэтому процессы, определяющие изменения погоды в конкретном месте, развиваются на больших пространствах. Так, например, для того чтобы дать верный прогноз погоды на Алтае на ближайшие сутки, необходима информация о погоде на территории от Уральского хребта до Енисея и от Южного Казахстана до Полярного круга. Прогноз погоды на вторые-третьи сутки расширяет эту область до гринвичского меридиана на запад и до Арктики на север. Если же речь идет о прогнозе на четвертые-пятые сутки, то уже необходима информация о погоде на всем Северном полушарии. Кроме того, результаты метеорологических наблюдений являются начальными и граничными условиями для математических моделей глобальной атмосферы, на основе которых в последние 20–30 лет в мировых метеоцентрах составляются прогнозы погоды. Все эти обстоятельства вынуждают размещать метеорологические и аэрологические станции на огромных территориях и по возможности на равном удалении друг от друга. В идеале всемирная метеорологическая сеть должна представлять собой ряд станций, равноудаленных друг от друга не более чем на 100 км – это примерно 32 500 точек наблюдений по всему земному шару. В реальности международная сеть ВМО насчитывает около 10 тыс. метеорологических и аэрологических станций. В России, как и в большинстве других стран мира, исключая небольшие государства, а также так называемые страны третьего мира, есть своя государственная метеорологическая сеть Росгидромета, в которую в настоящее время входит около 1700 станГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений ций. Программа модернизации гидрометслужбы предполагает увеличение числа станций к 2030 г. до 5400 – в основном за счет установки автоматических метеостанций.

Все гидрометеорологические станции, которые находятся на территории СНГ, классифицируются в зависимости от проводимых на них наблюдений. Выделяют метеорологические, аэрологические, береговые гидрометеорологические, судовые (дрейфующие) гидрометеорологические, ведомственные и гидрологические станции.

Метеорологические станции делятся на т р и р а з р я д а. Станции I разряда проводят наблюдения по полной программе и обрабатывают их данные [13], передают их по каналам связи в местные управления гидрометслужбы в установленные сроки, а также осуществляют техническое руководство работой прикрепленных к ним метеорологических станций II и III разрядов и метеорологических постов и предоставляют заинтересованным организациям, предприятиям и учреждениям сведения о метеорологических условиях и климатические данные. Часто на станциях I разряда, помимо полной программы метеорологических наблюдений, выполняется аэрологическое зондирование (тогда такая метеорологическая станция переходит в класс аэрологических, см. ниже). В том случае, если это научная метеорологическая обсерватория или станция, организованная для научной работы, обычно выполняются уникальные измерения, набор которых зависит от задач, поставленных перед обсерваторией (станцией). Это могут быть дистанционные наблюдения (лидарные, содарные, радарные, радиометрические и т. д.), химические (забор и анализ проб газов и аэрозолей), комплекс гляциологических работ (станция «Восток» в Антарктиде) и т. д. Станции II разряда также ведут наблюдения и осуществляют обработку данных по полной программе [13] и передают их по каналам связи в установленные сроки. Однако аэрологические наблюдения и дополнительные исследования на них не проводятся.

Станции III разряда производят наблюдения по сокращенной программе, в меньшее число сроков. Часто они вообще не участвуют в международном обмене гидрометеорологическими данными, т. е.

не передают их по каналам связи, и используются только местными службами и ведомствами (например, некоторые метеорологические станции при аэропортах).

На аэрологических станциях, помимо основной программы метеонаблюдений, два раза в сутки (в 0:00 и в 12:00 по единому скоординиГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона рованному времени) обязательно проводят запуск радиозонда, который выполняет измерения температуры воздуха, температуры точки росы, давления, скорости и направления ветра на стандартных изобарических поверхностях. Эти данные необходимы как для численного, так и для синоптического анализа и прогноза погоды, поэтому они всегда передаются в региональные и центральные управления гидрометеослужбы и находятся в международном обмене в рамках ВМО.

Береговые станции расположены на морских побережьях. Кроме метеорологических наблюдений, перечень и полнота которых зависят от разряда станции (см. выше), на них проводятся некоторые океанологические измерения (также в зависимости от класса станции), всегда измеряется температура и уровень воды, а также качественно оценивается состояние морской поверхности и балльность волнения.

На станциях-обсерваториях проводятся волновые и батиметрические наблюдения.

Дрейфующие станции – это судовые станции, станции, дрейфующие в морских водах, и станции, дрейфующие на морских льдах. Их объединяет одно – непостоянство местоположения, поэтому с позиций климатологии наблюдения на них бессмысленны. Однако в качестве дополнительного источника данных для анализа и прогноза погоды, а также для научно-исследовательских задач они очень ценны.

Судовые станции располагаются на бортах научно-исследовательских, транспортных или военных судов. Полнота измерений зависит от задач, поставленных перед исследователями. Как правило, наблюдения ведутся по сокращенной программе. Однако, если речь идет о крупном научно-исследовательском эксперименте, даже на судах возможен полный перечень наблюдений, включая аэрологические. Большая проблема судовых наблюдений – их репрезентативность. Условия судовых наблюдений не удовлетворяют тем требованиям, которые сформулированы ВМО (см. ниже). Станции, дрейфующие в морских водах, всегда автоматические. Программа наблюдений обычно сокращена даже по сравнению с требованиями, сформулированными ВМО.

Так называемые гидрометеорологические буи, как правило, измеряют температуру, характеристики влажности и ветра, а также атмосферное давление и осадки. Правда, набор океанологических наблюдений может быть очень богатым.

Станции, дрейфующие на морских льдах, выполняют обычно все возможные метеорологические и океанологические (в том числе гиГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений дрохимические) наблюдения, поскольку цели гидрометеорологических наблюдений в Арктике, как правило, научные.

Морские станции – это «заякоренные», т. е. постоянные, буи. Их стали использовать в последние годы. Однако существует проблема репрезентативности получаемых с их помощью метеорологических данных из-за воздействия морских брызг и волнения.

На агрометеорологических станциях проводится полный объем метеорологических наблюдений, при этом особое внимание уделяется оценке компонентов теплового баланса, наблюдению за термическим режимом почвы и снежного покрова. Кроме того, добавляется наблюдение за целым рядом количественных показателей, отражающих жизненные циклы растений, главным образом сельскохозяйственных культур. Это даты начала и конца вегетационного периода, начала и завершения цветения, кущения, и множество других показателей. Нередко агрометеорологические станции подчиняются не Росгидромету, а Министерству сельского хозяйства.

Имеются еще специализированные ведомственные станции, не входящие в общегосударственную сеть метеорологических станций Росгидромета. На них, помимо общепринятых наблюдений, обычно измеряются те характеристики, которые необходимы конкретной отрасли. Это агрометеорологические станции (в данном пособии они выделены в отдельную группу), метеорологические станции, обслуживающие транспортные отрасли, курорты, метеорологические станции Министерства обороны, Министерства образования, Академии наук, и т.д. Эти станции не имеют отношения к Росгидромету, и, соответственно, к ВМО, поэтому, как правило, не участвуют в «международном обмене информацией». По сути дела, помимо сети Росгидромета, на территории России существуют альтернативные сети Министерства обороны РФ, Министерства сельского хозяйства, и т. д. Также, эпизодически для научно-исследовательских или образовательных задач разворачиваются локальные сети из нескольких, как правило, автоматических метеостанций. Так делается, в частности, в научных и учебных экспедициях Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Как уже отмечалось выше, самый полный перечень метеонаблюдений не только с производственными, но и с научными целями проводится в метеорологических обсерваториях.

В состав гидрометслужбы также входят гидрологические станции, на которых проводятся, главным образом, гидрометрические измереГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона ния на реках, водохранилищах, озерах, болотах, а также мониторинг лавинной обстановки в горных регионах. Подробно об этих станциях речь идет в п. 1.2.

Важнейшей проблемой любой метеорологической сети является ее пространственная неоднородность (рис. 1.1). Например, метеорологические наблюдения на европейской территории России осуществляют около 1000 станций, а в Западной Сибири, площадь которой примерно такая же, всего 400. Еще хуже дело обстоит с морскими акваториями, пустынями, арктическими и горными районами. В частности, в горах Кавказа работает всего лишь 5 метеорологических станций, в горных районах Алтая и Саян – 8 (хотя во всем Алтае-Саянском регионе действует около 30 метеостанций). Разумеется, наблюдения, которые на них осуществляются, не отражают всего многообразия метеорологических процессов в этих крайне неоднородных регионах. Именно этим обусловлена необходимость гидрометеорологического мониторинга, в частности, Алтае-Саянского региона. Вторая важная проблема метеорологических наблюдений – наличие пропусков. Без длительных и непрерывных рядов наблюдений выводы о климатических особенностях региона и о статистических свойствах климатических величин весьма ограничены, а порой и бессмысленны. Так, по рекомендациям ВМО, минимальный срок наблюдений, отражающих климат региона, должен составлять лет. Причем важно, чтобы в течение 30 лет наблюдения велись непрерывно. Кризис 90-х годов привел к тому, что больше половины метеорологических станций на 10–20 лет прекратили свою работу, возобновив ее только в период 2000–2010 гг. Климатическая однородность рядов наблюдений на этих станциях уже безвозвратно потеряна. Очень важно, чтобы станции не меняли своего местоположения. Перенос станции в другую точку фактически обрывает ряд наблюдений и начинает новый.

Такую же роль играют меняющиеся условия вокруг самой станции – появление городской застройки, автомагистралей, теплоцентралей и т. д.

Примерно одной трети станций ВМО коснулась проблема переноса или резкого изменения условий в районе наблюдений.

Во всем мире на наземных метеорологических станциях проводятся синхронные наблюдения: в 0:00, 3:00, 6:00, 9:00, 12:00, 15:00, 18:00, 21: по Всемирному скоординированному времени (UTC). В соответствии с этим, сроки наблюдений, записи начала и окончания атмосферных явлений указываются по UTC. Исключение составляют актинометрические измерения, которые ведутся по истинному солнечному времени.

Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений Рис. 1.1. Метеорологические станции на территории России и сопредельных стран, данные которых находятся в открытом доступе. Черные кружки – станции с доступным архивом среднемесячных данных, розовые – с доступным архивом среднесуточных данных. Синие точки – станции, расположенные на территории Алтае-Саянского региона Под сроком наблюдений понимается интервал времени продолжительностью 10 мин, который заканчивается точно в указанный час. Например, срок 9 ч – это интервал времени от 8 ч 50 мин до 9 ч 00 мин.

За конец метеорологических суток принимается срок 21:00 по UTC, а за начало следующих суток срок 0:00 по UTC. Данные наблюдений обрабатываются в течение 15 мин – и не позже чем через 20 мин после окончания срока, они зашифровываются специальным синоптическим кодом и передаются по каналам связи в региональные управления гидрометеоГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона службы. Оттуда данные поступают в межрегиональные центры и в конце концов оказываются в трех мировых центрах гидрометеорологических данных: Москве, Вашингтоне, Мельбурне. В случае бессбойной работы связи примерно через 40 мин после окончания срока наблюдений данные всех станций земного шара доступны для синоптиков всех мировых и региональных метеоцентров, а также для автоматизированных технологий численного прогноза погоды. Научно-исследовательские или учебные измерения могут выполняться по индивидуальной программе.

Однако необходимо понимать, что это исключит возможность сопоставления полученных результатов с данными ближайших сетевых станций.

1.1.3. Метеорологические величины и приборы.

Основные принципы организации, методики производства и обработки всех видов метеорологических измерений и наблюдений, выполняемых подразделениями Росгидромета и других государственных ведомств, изложены в [13]. Отдельно рассматриваются принципы организации и проведения актинометрических [15] и теплобалансовых наблюдений [16]. В методике производства наблюдений, которая существенно не менялась за последние 25 лет, учтены основные рекомендации ВМО по метеорологическим приборам и методам наблюдений, а также решения соответствующих комиссий ВМО. В таблице 1.1 приведен перечень основных метеорологических и актинометрических величин, точность их измерений, названия соответствующих приборов, а также даются краткие пояснения важнейших особенностей измерений. Подробно с методикой метеорологических измерений можно ознакомиться в [13].

Разработано очень много метеорологических приборов, точность которых соответствует стандартам ВМО. Однако само по себе понятие «метеорологическая сеть» предполагает наличие единообразных приборов.

Это требование часто нарушается. Например, в СССР на сети станций использовался анеморумбометр М-63М-1, в то время как далеко не во всех зарубежных странах скорость и направление ветра измерялись и тем более измеряются в настоящее время этим же прибором. То же самое относится ко всему метеорологическому и гидрометрическому оборудованию.

Это естественно – в каждой развитой стране производятся свои метеорологические и гидрологические приборы, несколько отличающиеся в эксплуатации, имеющие свои особенности чувствительности к изменениям внешней среды. Поэтому полного единообразия приборов на всех станГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений циях сети ВМО быть не может. Но главное – это неукоснительное выполнение требований точности измерений, установленных ВМО, которые изложены в [13]. Если эти требования соблюдаются, то метеорологические измерения следует считать точными. В таблице 1.1 указан просто класс приборов, без выделения какого-либо конкретного варианта.

Основные метеорологические величины, их точность и приборы, максимальная) росы водяного пара влажность на уровне 2 м покрова теплового баланса 16 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Самым точным прибором для измерения атмосферного давления является ртутный барометр. На метеорологических станциях используются ртутные чашечные барометры СР-А (для диапазона измерений 810–1070 гПа), СР-Б (для диапазона измерений 680–1070 гПа). Ртутный чашечный барометр (рис. 1.2, а) должен быть расположен в помещении метеорологической станции в специальном шкафчике. Измеряется температура воздуха при барометре (с точностью до 0,1 °С), затем производится отсчет по шкале барометра с точностью до 0,1 гПа. Определяются следующие характеристики атмосферного давления: давление на уровне станции, давление, приведенное к уровню моря (определяется для станций, расположенных на высоте менее 1000 м над уровнем моря), высота изобарической поверхности, ближайшей к уровню станции (для станций, расположенных на высоте более 1000 м над уровнем моря), значение барометрической тенденции (разности между значениями атмосферного давления текущего и предыдущего сроков наблюдений), характеристики барометрической тенденции. Характеристику барометрической тенденции (т. е. описание того, как вело себя атмосферное давление между сроками) получают с помощью барографа – прибора, непрерывно фиксирующего изменение атмосферного давления и отображающего его на специальной ленте – барограмме. В полевых метеорологических наблюдениях используется барометр-анероид (рис. 1.2, б).

Принцип анероида применяется в датчиках давления, которыми оснащены современные автоматические метеостанции. Иногда значения атмосферного давления переводятся в значения миллиметров ртутного столба (1 мм рт. ст. = 1,333 гПа, 1 гПа=0,75 мм рт. ст.).

Вследствие турбулентного состояния атмосферы каждая частица воздуха имеет свою температуру, которая отличается от температуры других частиц. Для получения устойчивых значений температуры воздуха на метеорологических станциях измеряют среднее значение за 3–5; осреднение осуществляется за счет инерционности термометров и радиационной защиты метеобудки. На метеорологических станциях измеряется срочная температура (с помощью психрометрического термометра ТМ4-1), минимальная температура между сроками (с помощью минимального термометра ТМ2-1, ТМ2-2, ТМ2-3) и максимальная температура воздуха между сроками (с помощью максимального термометра ТМ-1). Также используются низкоградусные термометры ТМ-9 (до –70С). Температура воздуха по сухому и смоченному термометру измеряется на уровне 2 м над поверхностью в Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений специальной метеорологической (психрометрической) будке (рис.1.3).

Психрометрическая будка необходима для того, чтобы не допустить попадания на приемные части термометров солнечных лучей. Чтобы минимизировать нагревание будки за счет поглощения лучистой энергии, ее принято красить в белый цвет. Стенки будки представляют собой жалюзи – это обеспечивает свободный воздухообмен внутри емкости. Дверца психрометрической будки и лесенка для выполнения наблюдений ориентированы строго на север.

Рис. 1.2. Приборы для измерения атмосферного давления:

а) ртутные барометры, б) барометр-анероид 18 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Под температурой точки росы понимается температура, которую показывает смоченный термометр (ТМ4-2) психрометрической установки (станционного психрометра), расположенной в метеорологической будке. Психрометрическая установка ( см. рис 1.3.) состоит из сухого срочного термометра (ТМ4-1, для измерений срочной температуры воздуха) и смоченного термометра (ТМ4-2, приемная часть повязана батистом, который погружен в емкость с дистиллированной водой). Температура точки росы используется для вычисления характеристик влажности. Когда значения температуры сухого и смоченного термометров равны между собой, это означает, что атмосферный воздух насыщен водяным паром и больше не может его вмещать (относительная влажность в этом случае равна 100%).

Стандартная программа метеорологических наблюдений не предполагает прямых измерений характеристик влажности воздуха.

Основной характеристикой влажности воздуха является парциальное давление водяного пара (давление, которое оказывает только лишь водяной пар при данной температуре). Эта характеристика вычисляется по измеренным значениям сухого и смоченного термометров станционного психрометра с использованием так называемых психрометрических таблиц, которые должны обязательно быть на любой метеорологической станции. Они основаны на решении уравнения Клаузиуса – Клапейрона, которое устанавливает однозначную аналиГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений тическую связь между температурой воздуха и парциальным давлением содержащегося в нем водяного пара [18,21]. Правда, современные автоматические метеостанции оснащены датчиками, непосредственно измеряющими характеристики влажности.

Дефицит насыщения d определяется как разность между парциальным давлением насыщенного водяного пара над водой и фактическим (измеренным) парциальным давлением:

где е – фактическое (измеренное) парциальное давление, Е – давление насыщения водяного пара при данной температуре.

Дефицит насыщения равен нулю, когда воздух насыщен водяным паром и происходит его конденсация.

Относительная влажность воздуха f – это отношение измеренного парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара, выраженное в процентах где е – фактическое (измеренное) парциальное давление, Е – давление насыщения водяного пара при данной температуре.

Относительная влажность, как и другие характеристики влагосодержания приземного воздуха, определяется при помощи психрометрических таблиц по значениям сухого и смоченного термометра, т. е. по станционному психрометру. И только при температуре воздуха ниже –10 С используется волосяной гигрометр, помещенный в психрометрическую будку. Для того чтобы использовать этот прибор при низких температурах, в летнее время он калибруется по данным, измеренным с помощью станционного психрометра.

Наблюдения за температурой почвы включают в себя:

измерения срочной, максимальной и минимальной температур на поверхности оголенной почвы. Термометры устанавливаются в середине оголенного участка, тщательно разрыхленного и выровненного, в порядке «с севера на юг» на расстоянии 5-6 см один от другого резервуарами к востоку, причем первый с севера – для измерения срочной температуры поверхности почвы или снежного покрова, второй – минимальный, для измерения минимальной температуры почвы (снежного покрова) между сроками, третий – максимальный, для измерения максимальной температуры; терГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона мометры должны быть уложены строго горизонтально и таким образом, чтобы их резервуары и внешняя оболочка наполовину погружались в почву (снежный покров). В теплое время года минимальный термометр убирается в помещение в 9:00 по местному времени и возвращается для производства наблюдений в 18: или в 21:00. Перед термометрами на время наблюдений с севера устанавливается реечный настил, выкрашенный в белый цвет (на расстоянии не менее 30 см, причем так, чтобы высота настила не превышала 5 см над поверхностью почвы);

измерения на глубине 5, 10, 15, 20 см с помощью коленчатых термометров Савинова (рис. 1.4), которые устанавливаются под углом 45° под оголенной поверхностью, измерения также производятся с реечного настила;

измерения на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 м с помощью глубинновытяжных термометров под естественным растительным покровом (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Измерения температуры почвы: а) на оголенной поверхности (в данном случае снежной) с помощью срочного, минимального и максимального термометров; б) на глубине h термометром Савинова (измерения проводятся на глубинах 5, 10, 15, 20 см, т. е. устанавливаются 4 термометра); в) под естественным растительным покровом глубинно-вытяжными термометрами (на глубинах 0,8, 1,2, 1,6, 2,4, 3,2 м) Характеристики ветра на сетевых станциях Росгидромета измеряются на высоте 10 м с помощью анеморумбометра М-63М-1 (рис 1.5, а) или его модификаций, которые обеспечивают автоматическое измерение средней скорости ветра за 10 мин при заблаговременном включении прибора не менее чем за 10 мин до начала измерений.

Десятиминутное осреднение рекомендуется потому, что атмосфера – Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений турбулентная среда и мгновенное измерение не отражает реальной ветровой обстановки. Поэтому измеряется как средняя скорость, так и значение максимального порыва. В исключительных случаях, когда ветровой поток сильно искажается препятствиями, высоту измерений можно увеличить до 20 м или вынести установку за пределы метеорологической площадки. Прибор должен обеспечивать измерение средней скорости ветра V (с осреднением за 10-минутный интервал) в диапазоне 1–40 м/с с погрешностью ±(0,5+0,03) м/с, а максимальной скорости Vmax (до 60 м/с) с погрешностью ±(1,0+0,05), при этом V – измеренная скорость ветра, а Vmax – измеренная максимальная скорость (порыв ветра). В таблице 1.2 приведены погрешности измерений средней скорости и порывов при различных скоростях ветра.

Погрешности измерений средней скорости ветра по анеморумбометру Vmax 1,2–1,5 1,6–1,8 1,8–2.0 2,1–2.3 2,4–2.6 2,7–2,9 3,0–3,5 3,5–4, Примечание. Погрешности измерения средней скорости ветра V (м/с, при реально наблюдаемой средней скорости V, м/с) и максимальной скорости Vmax ( м/с, при реальной наблюдаемой максимальной скорости Vmax, м/с).

Как видно из таблицы 1.2, погрешности измерений существенно зависят от скорости ветра. Так, при слабом ветре (менее 3 м/с) погрешность очень велика (30–100 % от измеренного значения), в то время как при больших скоростях (более 10 м/с) погрешность всегда меньше 10 %. Помимо точной величины скорости ветра пользуются также визуальными оценками, используя шкалу Бофорта. Ее можно найти в [13], а также в Интернете, используя поисковые системы.

Направление ветра определяется также по анеморумбометру М-63М-1 или его модификациям. При отсутствии на станции сетевого питания скорость и направление ветра измеряется с помощью комплекта флюгеров Вильда (рис. 1.5, б). Флюгер с легкой доской применяется для измерения скорости ветра в диапазоне 0–10 м/с, флюгер с тяжелой доской – от 10 до 40 м/с [13].

22 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Рис. 1.5. а) Анеморумбометр М-63М-1 (для измерения скорости и направления ветра), б) флюгер Вильда с легкой доской (для измерения направления ветра), в) плювиограф (на переднем плане) и осадкомер с защитой Третьякова (на заднем плане) Для оценки потоков тепла и влаги в приземном слое и для других исследований зачастую требуются высокоточные приборы измерений скорости ветра. Для этого используются анемометры Фусса, предназначенные для измерений скорости ветра в приземном слое воздуха в диапазоне 0 – 20 м/с (рис. 1.6, б). Измерения скорости ветра с помощью анемометров Фусса недопустимы в условиях штормового (более 20 м/с) и ураганного (более 33 м/с) ветра, а также в условиях выпадения осадков. Анемометры Фусса располагаются на градиентной установке или на установке для восстановления профиля ветра с высотой.

Рис. 1.6. Основные приборы для градиентных наблюдений:

а) аспирационный психрометр Ассмана, б) анемометр Фусса Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений Количество осадков – это высота слоя воды (в миллиметрах), образовавшегося на горизонтальной поверхности от выпавшего дождя, мороси, обильной росы, тумана, а также растаявшего в помещении снега, града, изморози и других гидрометеоров за 12-часовой интервал времени. Для измерения количества осадков применяется осадкомер О-1 с приемной поверхностью 0,2 м2. Имеется в виду осадкомерный сосуд с ветровой защитой Третьякова, принятой на сети ВМО в 1966 г.

(см. рис. 1.5,в). Ветровая защита Третьякова важна в основном при измерении сумм твердых осадков. Жидкие осадки измеряются два раза в сутки, в сроки, ближайшие к 8 и 20 ч. поясного декретного времени.

Наблюдатель переливает жидкие осадки из осадкосборного сосуда через носок в осадкомерную емкость. Затем осадкомерная емкость ставится на строго горизонтальную поверхность, после чего наблюдатель отсчитывает деление, соответствующее уровню воды. Полученный результат делится на 20 – в итоге получается сумма осадков (в миллиметрах), собранных с одного квадратного метра. Твердые осадки, собранные в осадкосборном сосуде, перед измерением должны растаять.

Вторым путем измерения твердых осадков является метод взвешивания с точностью до 1 г. Точность измерений твердых осадков даже при наличии защиты довольно низкая: 5–10%.

Интенсивность осадков измеряется прибором-самописцем, который называется плювиограф ( см.рис. 1.5, б). Измеряют интенсивность только жидких осадков. При температуре ниже 0 °С плювиограф не используется. Диаграммный бланк плювиографа меняется один раз в сутки в срок, ближайший к 20 ч. декретного времени. Подробнее ознакомиться с устройством плювиографа, а также с особенностями обработки плювиограмм можно в [13].

Наблюдения за снежным покровом состоят из большого количества качественных оценок и количественных измерений. При ежедневных наблюдениях за снежным покровом определяют:

степень покрытия окрестностей станции снежным покровом (визуально, по 10-бальной шкале, где 1 балл – примерно 10% покрытия территории);

характер залегания снежного покрова (по соответствующей таблице кода, в которой 0 – равномерный снежный покров на замерзающей почве, 1 – равномерный снежный покров на оттаявшей почве, 2 – равномерный снежный покров с неизвестным 24 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона состоянием почвы, 3 - неравномерный снежный покров на замерзающей почве, 4 – неравномерный снежный покров на оттаявшей почве, 5 – неравномерный снежный покров с неизвестным состоянием почвы, 6 – очень неравномерный снежный покров на замерзающей почве, 7 – очень неравномерный снежный покров на оттаявшей почве, 8 – очень неравномерный снежный покров с неизвестным состоянием почвы);

структуру снега (по соответствующей таблице кода, в которой 0 – свежий пылевидный снег, 1 – свежий пушистый снег, 2 – свежий липкий снег, 3 – старый рассыпчатый снег, 4 – старый плотный снег, 5 – старый влажный снег, 6 – снежная корка, не связанная со снегом под ней, 7 – плотный снег с коркой на поверхности, 8 – влажный снег с коркой на поверхности, 9 – мокрый снег);

высоту снежного покрова на метеорологической площадке или на выбранном участке вблизи станции (в сантиметрах с точностью до 0,5 см по деревянной снегомерной стационарной рейке длиной 1800 мм с ценой деления 1 см); если высота снежного покрова более 1,5 м, в качестве средства измерений может быть использована снегомерная металлическая переносная рейка М-46 или составной снегомер М-78; измерения поочередно проводятся по трем рейкам с точностью до 1 см при производстве отсчетов, причем наблюдатель должен находиться на расстоянии 2–3 м от рейки; за высоту снежного покрова принимается то деление рейки, против которого находится уровень снежного покрова; если рейка оказывается залеплена снегом, необходимо осторожно очистить ее длинной легкой палкой с планкой на конце (ни в коем случае не руками), не нарушая структуру снежного покрова; в случае выдувания снега у рейки отсчет производится так, как показано на рис. 1.7, а, а в случае наметания – как на рисунке 1.7, б;

плотность снежного покрова из установленного числа измерений на снегомерном маршруте;

структуру снежного покрова (наличие прослоек льда, воды и снега, насыщенного водой);

характер залегания снежного покрова на маршруте;

степень покрытия снегом маршрута (балл);

состояние поверхности почвы под снегом (мерзлая или талая).

Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений Ежедневные наблюдения за снежным покровом должны проводиться при любых погодных условиях в срок, ближайший к 8 ч поясного декретного времени, в соответствии с порядком производства наблюдений на станции. Наблюдения за степенью покрытия окрестности снегом, характеристикой залегания снежного покрова и структурой снега производятся с одного и того же наиболее высокого места метеорологической площадки или вблизи нее. Отдельно 10, 20 числа каждого месяца, а также в последний день месяца проводится снегомерная съемка по заданному маршруту, которая включает измерение высоты снежного покрова в точках, характеризующих различные условия данной местности, а также плотности снега в данных точках.

Цель снегомерной съемки – оценка влагозапаса снежного покрова.

Для снегомерных съемок выбираются и закрепляются маршруты:

на открытом участке (поле, степь, луг) длиной 1 км (если рельеф однородный) и 2 км (в случае неоднородного рельефа);

в лесу, под кронами деревьев, длиной 0,5 км;

3–5 поперечных профиля через балки, овраги и речные долины.

26 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Выбранный снегомерный маршрут должен быть постоянным. Точки обязательно маркируются или заносятся в память с помощью GPS.

Плотность снежного покрова измеряется весовым снегомером ВС-43.

Его цилиндр погружают отвесно в снег отточенным краем вниз и слегка надавливают на него. По шкале цилиндра отсчитывают высоту снега с точностью до 1 см, отгребают лопаточкой снег с одной стороны цилиндра и подводят ее под нижний край. Подняв цилиндр вместе с лопаточкой, переворачивают его нижним краем вверх и очищают наружную поверхность от снега. Пробу снега взвешивают. Для этого цилиндр подвешивают к весам и приводят их в равновесие. После взвешивания пробу выбрасывают рядом с местом измерения, а снегомер тщательно очищают от снега. При высоте снежного покрова менее 60 см (меньше высоты цилиндра) плотность снега измеряется путем взятия одной пробы; при высоте снежного покрова более 60 см следует взять несколько проб таким образом, чтобы высота столба снега для каждой пробы была менее 60 см.

Измерение компонент радиационного баланса называют актинометрическим. Актинометрическая установка включает приборы для измерения коротковолновой приходящей солнечной радиации. Актинометрические наблюдения являются единственным самым точным источником информации о радиационном балансе подстилающей поверхности. Радиационный баланс – это результирующее значение радиационных потоков, поступающих от Солнца, атмосферы и подстилающей поверхности. В общем виде радиационный баланс В выражается формулой 1.3:

где S – солнечная радиация, поступающая непосредственно от диска солнца на горизонтальную поверхность (прямая радиация), D – солнечная радиация, рассеянная молекулами воздуха, а также атмосферными примесями и облачностью (рассеянная радиация), R – часть коротковолновой (солнечной) радиации, отраженной земной поверхностью, Bd – разность между длинноволновым (тепловым) излучением земной поверхности и атмосферы (т.е в диапазоне длин волн ).

Сумму прямой S и рассеянной D радиации называют суммарной солнечной радиацией Q. Суммарная радиация – это результирующая солнечная энергия, поступающая к земной поверхности. Ее еще называют коротковолновой радиацией (спектр солнечного излучения, которое Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений доходит до земной поверхности, колеблется в диапазоне 0,1 – 4 10–6 м, в него входят ультрафиолет, видимая радиация и та часть инфракрасного спектра, которая по длине волн ближе к видимой, – так называемая ближняя инфракрасная радиация).

Величина радиационного баланса B характеризует то количество энергии, которое поглощается подстилающей поверхностью и, соответственно, затрачивается на ее нагревание. Подробнее с вопросами, связанными с переносом лучистой энергии в атмосфере и радиационным балансом подстилающей поверхности, можно ознакомиться в [18,21].

Для измерения прямой солнечной радиации служит актинометр (рис. 1.8, а). Актинометр измеряет прямую солнечную радиацию, поступающую на площадку, перпендикулярную солнечным лучам. Поэтому для того, чтобы получить прямую радиацию S, поступающую на горизонтальную поверхность, необходимо воспользоваться следующей формулой:

где S0 – прямая солнечная радиация, поступающая на площадку, перпендикулярную солнечным лучам, h° – высота Солнца, которая зависит от географической широты, угла солнечного склонения (который зависит от сезона) и от часового угла (времени суток).

Формула для расчета высоты солнца, а также табличные значения солнечного склонения содержатся в [15].

При определении высоты солнца и вообще сроков актинометрических наблюдений необходимо помнить о так называемом истинном солнечном времени, которое вычисляется как = m +, где m – среднее солнечное время, которое вычисляется в зависимости от географической долготы (один час среднего солнечного времени соответствует 15° долготы, при этом центральными меридианами являются 0°, 15°, 30° и т. д.; соответственно, 1° равен 4 минутам по времени, 1 угловая минута соответствует 4 секундам по времени и т. д.); – так называемое уравнение времени, которое представляет собой поправку к среднему солнечному времени).

Потоки рассеянной и отраженной солнечной радиации измеряются пиранометром (рис. 1.8, б). При стандартных актинометрических наблюдениях пиранометр затеняется в том случае, если измеряется поток рассеянной радиации, и располагается приемной частью к земной поверхности под углом 90° при измерениях потока отраженной 28 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона радиации. Отражающая способность подстилающей поверхности, или альбедо, оценивается как отношение потока отраженной радиации к суммарной. Для измерения баланса длинноволновой радиации, исходящей от подстилающей поверхности и от атмосферы, используется балансомер (рис. 1.8, в).

Рис. 1.8. Основные актинометрические приборы: а) актинометр, б) пиранометр, в) балансомер Составляющие радиационного баланса измеряются на специальной актинометрической установке над естественной поверхностью на высоте 1 м. Сама же актинометрическая стрела ориентируется в зависимости от положения солнца. Наблюдатель располагается на специальном помосте. Подстилающая поверхность непосредственно в зоне наблюдений должна быть естественной. Для измерения потока рассеянной солнечной радиации, а также длинноволнового баланса применяется затенение. Как было отмечено ранее, на станциях приборы могут быть разными. Главное – придерживаться единой схемы наблюдений и требований точности. На метеорологических станциях Росгидромета используется актинометр АТ-50, пиранометр М-80 и балансомер М-10. Для измерения суммарной, рассеянной и отраженной радиации применяется альбедометр походный (АП-3х3). Принцип действия приборов основан на неравномерном нагревании элементов приемной части, которые выкрашены белой и сажевой краской. В результате возникает ток, который измеряется гальванометром, мультиметром или любым другим прибором, фиксирующим силу тока, напряжение и сопротивление. Фиксируемые значения переводятся в величины радиационных потоков с помощью специальных переводных множителей. Подробно с методикой актинометрических наблюдений можно ознакомиться в [15].

Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений Градиентные наблюдения входят в полную программу метеорологических наблюдений. Их главная цель – количественная оценка компонент теплового баланса. Выше (формула 1.3) было кратко сформулировано понятие радиационного баланса. Тепловой баланс в упрощенном виде вычисляется по формуле:

где с* – теплоемкость почвы (или снежного покрова, ледника, горных пород), Дж/кг К; * - плотность слоя почвы, кг/м3; h – толщина слоя почвы, в пределах которого наблюдаются суточные колебания температуры, м; B – радиационный баланс подстилающей поверхности, Вт/м2;

H – теплообмен атмосферы с окружающей средой (его еще называют турбулентным теплообменом); LE – затраты тепла на испарение, или турбулентный поток влаги (L – удельная теплота парообразования;

E – слой испарившейся или сконденсировавшейся воды), Вт/м2; Gp – поток тепла в почву, Вт/м2. В период снеготаянья или при исследовании теплового баланса ледника вместо потока тепла в почву записывают слагаемое, которое описывает затрату тепла на таянье снега или льда [18,21].

Из формулы (1.5) хорошо видно, что градиентные наблюдения имеют смысл только в том случае, если выполняются актинометрические наблюдения, а также измерения температуры почвы на различных глубинах. Известно, что значения потоков тепла и влаги пропорциональны их изменчивости в вертикальном направлении, т. е.

градиентам. Поэтому для того, чтобы оценить эти потоки, необходимы измерения этих величин на различных высотах. Итак, стандартные градиентные наблюдения представляют собой измерения температуры воздуха и точки росы с помощью аспирационного психрометра Асмана на уровнях 0,5 и 2 м над поверхностью, а также скорости ветра с помощью анемометра Фусса на уровнях 0,25 и 1 м. Уровней может быть и больше – вплоть до нескольких десятков. Например, в НИИ экспериментальной метеорологии в г. Обнинске высота градиентной мачты превышает 300 м. В полевых условиях высота приборов может варьироваться. Однако необходимо помнить, что в [16], а также во многих других справочных материалах все коэффициенты, которые затем используются в расчетах, посчитаны для высот, указанных выше. Необходимое условие – расположение анемометров точно между психГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона рометрами (по высоте). Подробно с методикой теплобалансовых наблюдений можно ознакомиться в [16].

Измерения температуры воздуха и точки росы позволяют определить характеристики влажности по психрометрическим таблицам. Таким образом, с помощью аспирационного психрометра на двух (или более) уровнях измеряют срочную температуру воздуха, температуру точки росы, дефицит влажности, парциальное давление водяного пара и относительную влажность. С помощью анемометров Фусса на двух уровнях, расположенных между уровнями психрометрических измерений, измеряют скорость ветра (берется скорость, осредненная за мин). С помощью полученных результатов оценивают компоненты теплового баланса. В последние 10–15 лет появились автоматические пульсационные датчики, позволяющие измерять сами турбулентные потоки. Тем не менее, градиентные наблюдения все равно необходимы – хотя бы для сравнения с результатами этих датчиков. Сведения о компонентах теплового баланса являются важнейшей характеристикой микроклиматических условий ландшафта.

Результаты метеорологических наблюдений записываются в специальную книжку КМ-1. Также существуют книжка для записей дополнительных наблюдений КМ-2, книжка для записей температуры почвы КМ-3, книжка для записи наблюдений за обледенением КМ- и книжка для наблюдений за снежным покровом КМ-5. После проведения измерений и записей в вышеозначенные книжки метеорологические величины обрабатываются.

Под обработкой метеорологических величин понимают следующие действия:

осреднение измеренных значений. Практически все показания метеорологических приборов снимаются несколько раз, поскольку атмосфера является турбулентной средой, которая характеризуется непрерывными вариациями метеорологических величин. Не осредняются измерения скорости и направления ветра (осреднение выполняется автоматически), суммы и интенсивность осадков.

Осреднение часто выполняется прямо на метеорологической площадке, в процессе записи в книжки наблюдателя. Актинометрические наблюдения осредняются в процессе обработки;

введение поправок к измеренным осредненным значениям. Каждый прибор в обязательном порядке имеет технический паспорт, Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений в котором содержится официальная информация о погрешностях измерений при различных диапазонах измеряемых величин и в случае наличия тех или иных атмосферных явлений. Эти поправки в обязательном порядке вводятся к осредненным значениям величин;

вычисление характеристик, которые не измеряются, а вычисляются с помощью измеренных величин. К ним относится приведение давления к уровню моря (для каждой станции составляется соответствующая таблица), вычисление характеристик влажности, компонент радиационного и теплового баланса.

Подробно с методикой обработки данных измерений можно ознакомиться в [13].

На каждой метеорологической станции должны иметься следующие пособия и вспомогательные материалы:

наставление гидрометеорологическим станциям и постам, вып.3, руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям (полезно даже в том случае, если наблюдения не ведутся, поскольку содержит таблицы значений солнечного склонения, поправок для вычисления истинного солнечного времени и много других ценных вспомогательных материалов) [15];

руководство по теплобалансовым наблюдениям (если на станции такие проводятся) [16];

атлас облаков;

психрометрические таблицы (для определения характеристик влажности воздуха по измеренным значениям температуры сухого и смоченного термометра станционного психрометра);

методические указания по приведению атмосферного давления к уровню моря и вычислению высот изобарических поверхностей на метеорологических станциях;

инструкция о наблюдениях за опасными и особо опасными гидрометеорологическими явлениями;

код для передачи данных гидрометеорологических наблюдений 32 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Как отмечалось выше, помимо количественных измерений, в метеорологии многие явления (например, метеорологическая дальность видимости, балл и тип облаков, интенсивность явлений погоды, оптические явления и т. д.) оцениваются качественно. Точность этих оценок во многом зависит от квалификации и состояния наблюдателя, и потому они достаточно субъективны. Однако приборы, которые бы позволяли точно осуществлять качественные измерения, пока не созданы. Именно поэтому наличие наблюдателей на метеостанциях ВМО пока что является обязательным, несмотря на то что последние 15–20 лет быстрыми темпами идет процесс автоматизации метеорологических наблюдений.

Автоматизация измерений во многом упрощает процесс метеонаблюдений. Например, измерения температуры и влагосодержания не требуют использования психрометрической будки; радиационные потоки измеряются сразу на горизонтальную поверхность, измерение суммы осадков и их интенсивности проводится одним прибором и т. д. Однако для того, чтобы правильно интерпретировать результаты наблюдений, а также сравнивать их с данными сетевых станций необходимо хотя бы начальное понимание процесса производства метеорологических измерений. Кроме того, ряд требований (выбор места метеорологической площадки и ее характеристики, вертикальные уровни наблюдений, сохранение подстилающей поверхности в естественном состоянии, ориентация анеморумбометра и актинометрической стрелы и т. д.), естественно, остаются такими же.

1.1.4. Организация стандартной метеорологической Схема размещения приборов на метеорологической площадке, соответствующая сокращенной программе метеонаблюдений, приведена на рисунке 1.9 [13]. Метеорологическую площадку располагают так, чтобы наблюдения отражали метеорологические условия как можно более обширного района. Независимо от характера окружающей местности участок, где располагается метеоплощадка, должен быть ровным, открытым, удаленным от строений, деревьев и других препятствий на расстояние не менее 10-кратной их высоты и не ближе чем в 100 м от больших водоемов.

В то же время следует избегать чрезмерно открытых мест, где скорости ветра бывают завышены. Нельзя размещать метеорологическую площадку вблизи глубоких оврагов, обрывов и других резких изломов рельефа.

Стандартная метеорологическая площадка имеет размеры 26 х 26 м и Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений ориентируется так, чтобы ее стороны были направлены с севера на юг и с востока на запад. Если объем наблюдений небольшой, размер площадки может быть уменьшен до 20 х 16 м, при этом длинная сторона прямоугольника направляется с севера на юг. Приборы и оборудование размещают таким образом, чтобы они не влияли на показания соседних установок (не было затенения приборов, нарушения обмена воздуха). Поэтому на площадке приборы и оборудование устанавливают обычно в четыре линии, с севера на юг, примерно в шахматном порядке на расстоянии не менее 5 м друг от друга.

Актинометрическая установка, а также установка для градиентных наблюдений устанавливается к югу от напочвенных термометров.

Рис. 1.9. План размещения оборудования и приборов на метеорологической площадке (расстояния указаны в метрах): 1 – геодезический репер станции; 2 – флюгер с легкой (тяжелой) доской; 3 –анеморумбометр; 4 – гололедный станок; 5 – будка психрометрическая; 6 – снегомерная рейка; 7 – будка психрометрическая запасная;

8 – осадкомер; 9 – плювиограф; 10 – запасной столб для осадкомера; 11,13 – снегомерные рейки; 12 – оголенный участок для напочвенных термометров; 14 – напочвенные термометры 34 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Площадку обносят хорошо продуваемой оградой из проволоки или проволочной сетки. Нельзя применять штакетные ограды, способствующие накоплению снега и препятствующие свободному обмену воздуха. Вход на площадку располагается с северной стороны. Чтобы не нарушать естественного состояния поверхности площадки, для подхода к приборам прокладывают выпуклые дорожки шириной 40 см.

К почвенным термометрам дорожки должны вести с севера, к гелиографу – с юга, к другим установкам – с тем расчетом, чтобы наблюдения производились с наименьшими затратами времени на переходы.

За метеорологической площадкой периодически нужно ухаживать.

Психрометрические будки, ограда, столбы, подставки для приборов должны быть покрашены белой краской для того, чтобы приборы нагревались минимально. Покров метеорологической площадки должен по возможности поддерживаться в естественном состоянии. Нельзя допускать разрастания травяного покрова выше 20 см. Не следует нарушать естественное состояние снежного покрова, но в случае образования сугробов их необходимо удалять.

Все метеорологические измерения выполняются под открытым небом. Исключение составляет атмосферное давление, которое измеряется в помещении (в здании метеостанции). Дело в том, что разница давления между помещением и открытым воздухом ничтожно мала.

Если речь идет о специальных наблюдениях, направленных на оценку составляющих теплового баланса, то организуют так называемые градиентные наблюдения. Устанавливается специальная градиентная мачта, на которой приборы принято размещать на высотах 0,25; 0,5;

1 и 2 м. Требования к точности аспирационного психрометра Асмана такие же, как к точности измерений в психрометрической будке: 0.1°С для обоих термометров (сухого и смоченного). А вот для анемометра Фусса требования существенно выше, чем для стандартных измерений скорости ветра на уровне 10 метров: 0.1 м/с. Подробно с методикой теплобалансовых наблюдений можно ознакомиться в [16].

1.1.5. Основные характеристики пространственной структуры метеорологических полей Атмосфера является турбулентной средой, поэтому поля метеорологических элементов весьма изменчивы как в пространстве, так и во времени. В различных ситуациях метеоэлемент может принимать разные значения. Совокупность этих значений для определенной территоГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений рии в заданном интервале времени называется реализацией случайного поля. Число таких реализаций бесконечно. Поэтому в метеорологии принято рассматривать статистические характеристики полей, которые позволяют установить общие особенности, характерные для всего набора реализаций. Эти общие особенности принято называть статистической структурой случайного поля. При организации метеорологической сети, а также для интерполяции метеоэлементов в узлы регулярной сетки учет статистической структуры метеорологических полей необходим. Простейшими и вместе с тем основными статистическими характеристиками полей метеовеличин являются средняя величина, отклонение от среднего, пространственная дисперсия величины, а также ковариационная и корреляционная функции [6,7].

Пусть f j (r) есть j-я реализация случайного поля по времени (r – радиус-вектор точки наблюдений, т. е. ее координаты). Всего таких реализаций N. В таком случае статистическое осреднение по времени, которое здесь и ниже обозначается чертой сверху, будет определяться по формуле:

Величина f j (r) характеризует среднее из всех возможных значений в данной точке. Когда анализируются статистические свойства метеополей, наибольший интерес представляют величины, характеризующие отклонения от среднего.

Важнейшей статистической характеристикой является пространственная дисперсия метеовеличины, которая определяется по формуле:

где f (ri) - значение метеорологической величины в точке ri, f (ri) – среднее по точкам всем точкам наблюдений в исследуемом районе, m – число точек наблюдений. Чаще пользуются среднеквадратическим отклонением, которое вычисляется как квадратный корень из дисперсии:

Пространственная дисперсия, или среднеквадратическое отклонение, дает общую информацию о масштабе изменчивости метеовеГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона личины в заданной области. Кроме этого, как было отмечено выше, крайне важно понимание того, насколько пространственно зависима статистическая связь между наблюдениями в точках станций. В общих чертах очевидно, что чем больше расстояние между точками наблюдения, тем в меньшей степени ряды метеовеличин в этих точках будут связаны между собой.

Ковариационная функция mf любой изучаемой метеорологической величины f (температуры, влажности, осадков и т. д.) для любой пары точек ri и rk определяется по следующей формуле:

где N – число наблюдений; f (ri), f (rk) – измеренные величины в точках ri и rj ; f (ri), f (rk) – средние по времени значения метеорологической величины f, измеренной в точках наблюдения ri и rk.

Как правило, используются средние климатические нормы для конкретных суток, месяца, года. Произведения отклонений от нормы в точках ri и rk осредняются по числу наблюдений N. Ряд наблюдений должен быть максимально однородным. Ковариационные функции вычисляются для каждого из сезонов года. Если ряд наблюдений достаточно длинный (хотя бы несколько лет), то ковариационные функции вычисляются даже для разных типичных условий атмосферной циркуляции.

Наиболее широко используется нормированная корреляционная функция, представляющая собой отношение ковариационной функции любой изучаемой метеорологической величины между двумя точками i, k к стандартным отклонениям данной величины в этих точках (ri), (rk), которые считаются по формуле 1.7. Итак, нормированная корреляционная функция:

Допустим, что в некоторой области существует несколько точек измерений. Тогда по формуле (1.10) вычисляется коэффициент корреляции между первой и второй точками, затем между первой и третьей и т. д. Далее то же самое делается для второй, точки, затем для третьей и т. д. Для каждой из точек наблюдений получится зависимость коэффициента корреляции от расстояния. Нормированная корреляционГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений ная функция, естественно, убывает с ростом расстояния между точками наблюдений.

Представим себе окружность, центром которой является точка наблюдений. Положим, что радиус этой окружности зависит от статистической значимости связи между величиной, измеренной в точке (т. е. в центре окружности) и теми же величинами, измеренными в других точках. То есть за пределами окружности связь между точкой в ее центре и другими точками наблюдений фактически отсутствует (или является случайной). Тогда радиус данной окружности называется радиусом корреляции. Определяется он по-разному, поскольку сам по себе вопрос о значимости статистических связей очень сложен. Вопервых, он сильно зависит от самой величины (хорошо известно, что поле давления относительно мало изменчиво в пространстве по сравнению с полем температуры и тем более осадков). Во-вторых, величина радиуса корреляции зависит от требований точности в различных задачах. Так, например, при восстановлении срочных полей метеовеличин достаточно, чтобы ошибка интерполяции между станциями не превышала значения среднеквадратического разброса по всей области; при получении среднемесячных значений точность интерполяции в точки, расположенные между станциями, должна быть близкой к точности измерений; и т.д.

В работе [10] радиус корреляции определен как расстояние, в пределах которого коэффициент корреляции убывает в е раз по сравнению с его значением между ближайшими точками. В работах [5,6] изложен метод Дроздова – Шепелевского, согласно которому максимально допустимое расстояние между точками наблюдения должно быть таким, чтобы средняя квадратическая ошибка линейной интерполяции на середину отрезка между этими станциями не превышала точности измерения метеоэлемента. Детально ознакомиться с методами оценок радиуса корреляции, а также с проблемой статистического обоснования планирования гидрометеорологической сети можно в работах [5,6,10]. Здесь лишь отметим, что для таких величин, как температура и характеристики влажности, «порогом значимости» обычно выбирают значения нормированной корреляционной функции, лежащие в диапазоне 0,7–0,8; для скорости ветра – 0,6–0,7, для сумм осадков – 0,5–0,6.

Таким образом, для каждой метеорологической величины характерно собственное значение радиуса корреляции. Многочисленные 38 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона исследования статистических свойств метеорологических полей показали, что для срочного значения температуры и характеристик влагосодержания на равнинных территориях в умеренной климатической зоне радиус корреляции равен примерно 150 км, для атмосферного давления – 300 км, для полусуточной суммы осадков – 50 км.

Это означает, что точки «идеальной» сети наблюдений за температурой должны быть расположены на расстоянии не более 150 км друг от друга, осадков – 50 км и т. д. Если при организации метеорологической сети опираться на самые статистически неоднородные величины (осадки, скорость и направление ветра, облачность), то окажется, что расстояния между элементами сети на равнинах не должны превышать 50 км. В горах эта величина на порядок меньше (порядка км). Правда, ситуация меняется при увеличении масштабов временного осреднения. Для среднемесячных значений радиусы корреляции существенно увеличиваются, достигая на равнинной территории для приземной температуры воздуха 300 км, для осадков и скорости ветра – 100 км. Еще больше радиус для годовых значений: температура – 500 км, осадки – 250 км.

Метеорологическое поле называется изотропным, если значение коэффициента пространственной корреляции между точками наблюдений не зависит от направления. Т. е. изокорреляты каждой из точек представляют собой концентрические окружности. В реальности на равнинных территориях они, как правило, имеют форму эллипса, вытянутого по направлению ветра. Ветер переносит атмосферные свойства, поэтому связь между величинами по направлению преобладающего потока сохраняется, естественно, дольше.

1.1.6. Особенности метеорологических наблюдений Гидрометеорологические наблюдения в горах входят в систему глобальной сети ВМО и преследуют те же цели, что и равнинные. Вопервых, они обеспечивают многочисленные отрасли экономики и общественности текущей информацией о погоде. Во-вторых, на основе данных наблюдений в прогностических центрах национальных служб погоды готовятся поля гидрометеорологических величин, которые, с одной стороны, являются основой для синоптического анализа и прогноза погоды, а с другой – начальными и граничными условиями для задачи автоматизированного численного прогноза. Поэтому, как и Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений равнинные метеостанции, многие горные входят в систему международного обмена данными ВМО. Однако, когда речь идет об организации научно-исследовательского или прикладного эксперимента, гидрометеорологические измерения, как правило, преследуют дополнительные цели. Перечислим основные из них.

1. Оценки изменений климата в соответствующем горном регионе. Для этого необходимо создать долговременную (не менее десяти лет) систему непрерывных наблюдений на репрезентативных участках горных ландшафтов. Такого рода наблюдения не требуют большой временной дискретности – достаточны сроки, рекомендованные ВМО (один раз в 3 ч). В перечень наблюдаемых величин в обязательном порядке должны входить основные характеристики климата:

атмосферное давление, температура воздуха, парциальное давление водяного пара, суточная сумма осадков, скорость и направление ветра. Если эксперимент преследует более сложные задачи (например, выявление связей между изменениями климата и растительности), то необходимы измерения составляющих радиационного баланса, а также температуры и влажности почвы на различных глубинах.

2. Измерение компонентов теплового баланса горных ледников.

В этом случае метеорологические станции устанавливаются на относительно однородных, субгоризонтальных ледовых и моренных поверхностях. Для того чтобы оценить теплообмен ледника с атмосферой, помимо полного перечня метеорологических и актинометрических величин, необходимы градиентные наблюдения. Они могут представлять собой автоматизированные измерения температуры и влажности воздуха на четырех уровнях над земной поверхностью (0,25; 0,5; 1, 2 м), а также скорости ветра на этих же уровнях. В крайнем случае допускается использование двух уровней (0,5 и 2 м). Другой, современный, вариант градиентных наблюдений – измерения самих турбулентных потоков тепла и влаги над поверхностью льда и морены с помощью пульсационных датчиков (или акустических анемометров).

Временная дискретность таких наблюдений в идеале должна составлять 15 мин (не менее 1 ч).

3. Мониторинг лавин, селей и паводковых явлений на реках. Перечень необходимых для этого измерений невелик. Мониторинг селей требует регулярных измерений температуры воздуха и суммы жидких осадков, температуры грунта на нескольких глубинах, а также уровня воды в реках и селеопасных озерах. Для мониторинга лавин необходиГидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона мы измерения температуры снежного покрова на нескольких глубинах, а также прирост снега по снегомерным рейкам, расположенным как на метеорологических станциях, так и на значительном удалении от них (по всему лавиноопасному району). Например, на Северном Кавказе существовала снегомерная сеть лавинной службы Росгидромета, которая состояла из сезонных осадкомеров и снегомерных реек, расположенных в крупных долинах и на склонах гор, на среднем расстоянии друг от друга 30 км. Высота реек составляла 5 м. После сильных снегопадов осуществлялись снегомерные пешие и вертолетные маршруты, целью которых было измерение количества выпавшего снега по всей территории Большого Кавказа. Существуют эмпирические номограммы, которые связывают температуру и сумму осадков с вероятностью возникновения лавин и селей в горных районах. Поэтому критические значения этих величин являются явным сигналом для штормового предупреждения. Важнейшее условие таких наблюдений – оперативная передача данных по различным каналам связи в региональное управление гидрометеослужбы, на посты МЧС и т. д.

4. Изучение статистической структуры полей гидрометеорологических величин. Это научная задача, направленная на развитие горной метеорологии и усовершенствование качества прогноза погоды в районах со сложным рельефом. Она требует организации густой метеорологической сети в районе, который отражает условия соответствующего горного региона. Измерения организуются в различных горных ландшафтах, на склонах разной экспозиции и в горных долинах, причем расстояние между метеорологическими станциями не должно превышать 5 км (по горизонтальному проложению) и 500 м по вертикали. Набор наблюдаемых величин зависит от поставленной задачи. Как правило, осуществляются измерения температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, суммы осадков. К этому списку основных наблюдений могут быть добавлены измерения температуры почвы на различных глубинах, влажности почвы, составляющих радиационного баланса и т. д.

Специфика метеорологических наблюдений в горных районах связана с большой неоднородностью природных условий по сравнению с равнинными территориями [2,8]. Поскольку источником энергии приземной атмосферы является подстилающая поверхность, неоднородность природных условий приводит к существенным вариациям компонент радиационного баланса, тепла и влагообмена, а следоГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений вательно, температуры воздуха, характеристик влажности и других (практически всех) метеорологических величин.

Метеорологическая площадка и прилегающая территория должны целиком находиться в пределах однородной подстилающей поверхности. Эта поверхность должна быть субгоризонтальной – метеорологические наблюдения на крутых склонах (более 15°), над ущельями, в узких щелях и долинах (шириной менее 100 м) или на гребнях морен не имеют физического смысла. Дело в том, что в условиях сильно пересеченного рельефа невозможно добиться условий измерения метеорологических величин, рекомендованных ВМО. Поэтому большая часть наблюдений в горах проводится в широких горных долинах. Реже наблюдения выполняются на широких перевалах и совсем редко – на плоских вершинах или пологих участках горных склонов.

Обеспечение работы полноценной метеостанции со штатом наблюдателей в горных районах является трудоемкой и дорогостоящей задачей. Поэтому в горах целесообразно использовать автоматические метеостанции.

Как было отмечено выше, часто метеорологические наблюдения в горах организуются для детального микроклиматического описания соответствующих природно-территориальных комплексов, с целью изучения тонких особенностей атмосферной циркуляции, теплового баланса различных элементов ландшафтов, в том числе ледников и т. д. Все эти задачи предполагают использование не одной, а нескольких станций.

Если на равнинах пространственные свойства корреляционных функций главным образом определяются направлением преобладающего ветра, то в горах дело обстоит сложнее. Метеорологические поля в горных условиях отличаются значительной анизотропностью [2,8].

Так, в пределах одной долины, в которой, например, действует горнодолинная или фёновая циркуляция, радиус корреляции метеовеличин может достигать 10–20 км, в то время как корреляция с точкой, расположенной в соседней долине, расстояние до которой составляет всего 2–3 км горизонтального проложения, может практически отсутствовать. Важную роль играют доминирующие погодные условия. Например, в перуанских Андах или в горах Кунь-Лунь, где преобладает сухая и малооблачная погода, главным фактором, определяющим изменчивость температуры, помимо местных циркуляционных факторов, является суточный ход. Поэтому ряды метеовеличин, полученные 42 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона в точках, расположенных на расстоянии даже 100 км друг от друга, в отдельных случаях могут хорошо коррелировать между собой. Метеорологические условия Альп, Кавказа или Алтая совсем другие – они отличаются большой погодной и сезонной изменчивостью. А значит, расстояния между точками наблюдений должны быть существенно меньшими.

Опыт метеорологических наблюдений в горах показывает, что расстояния между точками наблюдений не должны превышать 20 км горизонтального проложения в том случае, если наблюдения проводятся в крупной горной долине (длиной не менее 100 км), и 1000 м вертикального превышения, если наблюдения проводятся на склоне хребта или горы. Размещать метеорологические станции следует в пределах какого-то одного крупного природно-территориального комплекса, например, макросклона хребта или части горной долины (зона горнотаежных лесов в пределах долины, зона альпийских лугов в пределах долины и т. д.). Наблюдения в горном районе должны проводиться на нескольких таких объектах. Требования к организации метеорологической площадки те же, что и для равнинных наблюдений. Если наблюдения проводятся с помощью автоматической метеостанции, снимаются требования к использованию метеорологических будок, а также огораживанию метеорологической площадки (подробнее см.

гл. 2). Однако требования к размерам метеоплощадки, состоянию и однородности подстилающей поверхности, а также к вертикальным уровням измерений сохраняются. Еще раз отметим, что наблюдения на наклонных поверхностях, на границах элементов ландшафтов (берег озера, кромка ледника и т. д.), на сильно неоднородной подстилающей поверхности (крупнообломочный материал) не имеют физического смысла, за исключением определенных задач.

Подробно о требованиях установки АМС, организации соответствующей метеоплощадки речь идет в п. 2.2 главы 2.

Глава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений 1.2. Гидрологические наблюдения 1.2.1. Общие понятия Гидрологические работы включают широкий круг наблюдений, измерений и исследований, связанных с изучением гидрологического и гидравлического режимов рек [1,3,8]. В полный перечень гидрологических работ входят:

водомерные наблюдения (измерения уровня воды, уклонов водной поверхности);

измерение глубин водного объекта;

измерение расходов воды и определение зависимости между расходами и уровнями;

измерение температуры воды на поверхности и на различных глубинах, наблюдения за ледовыми явлениями;

измерение расходов и определение стока взвешенных и донных наносов;

измерение скоростей и направлений течений;

определение коэффициентов шероховатости;

наблюдения за русловыми деформациями и измерения волнения;

измерения прозрачности воды и оценка ее цвета;

гидрохимические измерения и наблюдения;

гидробиологические измерения и наблюдения.

Помимо этого перечня, отдельно выделяют еще несколько видов работ. Например, комплекс гидрологических наблюдений при строительстве крупных гидроузлов при перекрытии русел, наблюдения на водохранилищах и озерах, имеющие свою специфику и т. д. Из приведенного выше списка первые пять видов гидрологических работ принято относить к основным (водомерные наблюдения, прмер глубин русла, измерения расходов воды, температуры и оценка ледовой обстановки). Эти работы проводятся на государственной гидрологической сети и при всех видах изысканий на реках. Остальные чаще всего относятся к специальным и выполняются только в том случае, если этого требуют изыскания, или на гидрологических станциях (а также постах I разряда). Как правило, полный комплекс гидрологических исследований проводится для удовлетворения потребностей ряда отраслей, среди которых в первую очередь следует отметить гидроэнергетическое строительство, водный транспорт, лесную промышленность 44 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона (лесосплав), водные мелиорации, водоснабжение, строительство мостов и переходов коммуникаций, рыбное хозяйство, проекты защиты территорий от наводнений, природоохранные проекты, рекреация [1,11].

Основные гидрологические наблюдения проводятся на постах Государственной гидрологической сети, и их данные поступают в региональные и государственные органы гидрометслужбы. Остальные виды наблюдений, которые выполняются в основном по заказу перечисленных выше отраслей хозяйства, передаются в оперативном режиме только в исключительных ситуациях. Например, в случае химического загрязнения водного объекта соответствующие посты могут оперативно передавать данные о концентрациях химических веществ в воде.

Основные гидрологические измерения должны быть систематическими; и сами наблюдения, и их обработка проводятся по единой методике, рекомендованной наставлениями и методическими указаниями гирометеорологической службы, с использованием стандартных гидрологических приборов со строго определенной точностью [3,11].

Как и в случае с метеонаблюдениями, это необходимо для сопоставимости результатов измерений.

1.2.2. Гидрологические станции и посты.

Гидрологические наблюдения выполняются в определенной последовательности и в определенное время. Наблюдения проводятся на гидрологических станциях и постах. Гидрологическая станция – это учреждение, имеющее штат сотрудников-гидрологов и вспомогательный персонал. Бывают станции I и II разряда. Часто гидрологические станции совмещены с метеорологическими соответствующего разряда. На гидрологической станции I разряда собирается и анализируется информация о гидрологическом режиме водных объектов в «зоне ответственности» данной станции, осуществляется руководство станциями II разряда и гидрологическими, попадающими в «зону ответственности». Одна из важнейших функций станции I разряда – оперативная передача гидрологических данных заинтересованным организациям, а также в региональные управления гидрометеослужбы. Станции второго разряда производят полевые гидрометрические наблюдения и работы, а также анализ данных, полученных на гидроГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений логических постах. Они создаются там, где организация станций I разряда нецелесообразна, однако присутствие постоянного квалифицированного персонала необходимо.

Гидрологические станции делятся на следующие группы:

стоковые, осуществляющие мониторинг рек с малым и средним водосбором в различных физико-географических условиях устьевые, выполняющие гидрометрические измерения в устьевой зоне крупных рек;

озерные, осуществляющие мониторинг озер и водохранилищ;

болотные, измеряющие и оценивающие все компоненты теплового и водного режима крупных болотных массивов в различных физико-географических условиях;

снежно-лавинные, осуществляющие снегомерные работы в горах, мониторинг лавин и оценку лавинной опасности.

Гидрологический пост – это специально оборудованное в соответствии с международными требованиями место, на котором проводятся гидрологические наблюдения. Гидрологический пост может быть постоянным, сезонным, временным (экспедиционным). На нем обязательно имеется наблюдатель, хотя в условиях автоматизации гидрометеорологических наблюдений все чаще используются автоматизированные посты.

Гидрологические посты бывают I, II и III разрядов. На постах I разряда проводят измерение температуры и уровня воды, ее расхода, наблюдают за ледовой обстановкой и ледовыми образованиями. Также измеряются расходы донных и взвешенных наносов, оценивается степень мутности речной воды и отбираются пробы для гидрохимического анализа. Если гидрологический пост не привязан к метеорологической станции какого-либо разряда, он также осуществляет наблюдения по сокращенной программе. Это так называемый метеорологический пост, в программу наблюдений которого входит только измерение температуры воздуха, определение характеристик влажности, сумм осадков и характеристик снежного покрова. На посту II разряда проводятся наблюдения по программе поста I разряда, за исключением измерения расхода воды, донных и взвешенных наносов и гидрохимического анализа. На постах III разряда наблюдают только за температурой воды, ее уровнем, а также за ледовыми явлениями и 46 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона обстановкой. Остальные наблюдения, в том числе метеорологические, не проводятся. Гидрологические посты всех разрядов могут осуществлять оперативную передачу данных наблюдений в определенные сроки. Что касается сроков передачи данных, то здесь нет такой четкой привязки, как в случае метеорологических наблюдений, поскольку гидрологические данные не используются в задачах оперативного прогноза уровней рек и расхода воды. Входными данными для прогноза гидрологического режима рек являются не гидрометрические, а метеорологические данные и результаты их обработки (суточная сумма осадков по водосбору, испарение, влагозапас снежного покрова).

Информация об уровне и расходе воды передается два раза в сутки, в период межени (в 8:00 и 20:00 по местному времени), и 3–4 раза в сутки в период половодья или паводков. Фиксированного времени передачи данных нет.

Итак, к обязательным наблюдениям относятся: измерение температуры воды, уровня расхода воды и ледовой обстановки, т. е. обязательной является программа наблюдения поста III разряда. В экспедициях программу работ на каждом гидрологическом посту составляют в зависимости от реальной потребности в тех или иных гидрологических данных, при этом руководствуются типовыми программами наблюдений на гидрологических постах I, II и III разряда. Так, если намечается проводить только водомерные наблюдения, то организуют гидрологический пост III разряда. Если помимо водомерных измерений осуществляются наблюдения за уклоном воды, а также определяются расходы воды и наносов, то соответствующий пост относится ко II разряду. Если в программу наблюдений, помимо основных, входят дополнительные систематические измерения, то организуется пост I разряда.

Обязательные сроки гидрологических наблюдений – 8:00 и 20: по местному времени. В случае интенсивных гидрологических явлений (паводок, половодье, ледостав, шугоход, ледоход, ветровой нагон в устьях крупных рек) измерения проводятся чаще – помимо основных сроков еще 3–4 раза, а в отдельных случаях через каждые 2 ч.

Гидрологическая сеть, как и метеорологическая, является важнейшей составляющей гидрометеослужбы. На территории России в настоящее время около 1 тыс. гидрологических постов всех трех классов.

Общие проблемы гидрологических наблюдений те же, что у метеорологических (п.1.1.) – пространственно-временная неоднородность. На территории России до сих пор есть огромное количество рек, гидроГлава 1. Общие принципы гидрометеорологических наблюдений логический режим которых не изучен. Следует, правда, отметить, что неравномерность гидрологической сети не столь большая проблема, как метеорологической. Дело в том, что, во-первых, результаты гидрологических наблюдений не являются начальными и граничными условиями для задачи прогноза погоды. В прогнозе паводков, половодья, а также уровня водохранилищ эти данные, как правило, тоже используются для валидации и оценки результатов прогноза, а не в качестве начальных.

Цель гидрологических измерений – это, во-первых, мониторинг рек, направленный на предупреждение чрезвычайных ситуаций, вовторых, накопление длиннорядных наблюдений, которые позволяют строить точные кривые расходов, усовершенствовать статистические методы прогнозов и т. д. Кроме того, гидрологические процессы в основном зависят от атмосферных, и успех гидрологического прогноза напрямую связан с точностью среднесрочного прогноза погоды.

Еще один упрощающий фактор – большая предсказуемость гидрологических процессов по сравнению с метеорологическими. По этой причине один из самых мощных методов гидрологических оценок и прогнозов – метод аналогов.

1.2.3. Организация стандартного водомерного поста Для наблюдений за уровнем воды посты устанавливают в точках, где режим уровней может иметь характерные особенности, например, в местах изменения уклона, резких изменений ширины русла и долины.

Кроме того, посты устанавливаются ниже впадения крупных притоков, а также на самих притоках. Выбор места для водомерного поста – достаточно серьезная задача. Подробно этот вопрос освещается в [3,11].

Здесь лишь отметим основные, наиболее важные особенности.

На равнинных реках (или на их равнинных участках) участок для водомерных наблюдений должен быть без поймы. При ее наличии следует выбрать наиболее прямой и узкий участок, с ровным рельефом, без проток и стариц, лишенный древесной и кустарниковой растительности. Река на участке поста должна протекать единым прямым руслом, без рукавов, островов, осередков, отмелей и т. д. Особенно сложно выполнить эти условия на горных реках. На участке поста русло должно быть устойчивым, т. е. минимально подвергаться размыву, заилению и т. д. Район расположения поста должен находиться за пределами распространения подпора от притоков и искусственных сооружений.

48 Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона На горных реках к изложенным выше требованиям добавляется обязательное расположение поста выше порогов и водопадов, на относительно спокойном и ровном участке русла, не загроможденном валунами и скальными обломками. Как слишком крутые, так и слишком плоские берега неудобны для организации водомерного поста.

Оптимальная крутизна берегов 20–30°. На крупных озерах и водохранилищах при организации водомерной сети необходимо предварительно изучить причины колебаний уровня при различных условиях.

Сеть водомерных постов должна располагаться таким образом, чтобы данные измерений на них позволяли оценить средний уровень, в частности при условиях искажения, связанного с ветровыми нагонами, влиянием впадающих и вытекающих рек и т. д.