ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА С ВЫСОТОЙ
В тропосфере температура воздуха с высотой понижается, как отмечалось, в среднем на 0,6 "С на каждые 100 м высоты. Однако в приземном слое распределение температуры может быть различным: она может и уменьшаться, и увеличиваться, и оставаться постоянной. Представление о распределении температуры с высотой дает вертикальный градиент температуры (ВГТ):
ВГТ = (/„ - /B)/(ZB -
где /н — /в — разность температур на нижнем и верхнем уровнях, °С; ZB — ZH- разность высот, м. Обычно ВГТ рассчитывают на 100 м высоты.
В приземном слое атмосферы ВГТ может в 1000 раз превышать средний для тропосфер
Значение ВГТ в приземном слое зависит от погодных условий (в ясную погоду он больше, чем в пасмурную), времени года (летом больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем ночью). Ветер уменьшает ВГТ, поскольку при перемешивании воздуха его температура на разных высотах выравнивается. Над влажной почвой резко снижается ВГТ в приземном слое, а над оголенной почвой (паровое поле) ВГТ больше, чем над густым посевом или лугом. Это обусловлено различиями в температурном режиме этих поверхностей (см. гл. 3).
В результате определенного сочетания этих факторов ВГТ вблизи поверхности в пересчете на 100 м высоты может составлять более 100 °С/100 м. В таких случаях и возникает тепловая конвекция.
Изменение температуры воздуха с высотой определяет знак ВГТ: если ВГТ > 0, то температура уменьшается с удалением от деятельной поверхности, что обычно бывает днем и летом (рис. 4.4); если ВГТ = 0, то температура с высотой не меняется; если ВГТ < 0, то температура увеличивается с высотой и такое распределение температуры называют инверсией.
В зависимости от условий образования инверсий в приземном слое атмосферы их подразделяют на радиационные и адвективные.
1. Радиационные инверсии возникают при радиационном выхолаживании земной поверхности. Такие инверсии в теплый период года образуются ночью, а зимой наблюдаются также и днем. Поэтому радиационные инверсии подразделяют на ночные (летние) и зимние.
Ночные инверсии устанавливаются при ясной тихой погоде после перехода радиационного баланса через 0 за 1,0...1,5 ч до захода Солнца. В течение ночи они усиливаются и перед восходом Солнца достигают наибольшей мощности. После восхода Солнца деятельная поверхность и воздух прогреваются, что разрушает инверсию. Высота слоя инверсии чаще всего составляет несколько десятков метров, но при определенных условиях (например, в замкнутых долинах, окруженных значительными возвышениями) может достигать 200 м и более. Этому способствует сток охлажденного воздуха со склонов в долину. Облачность ослабляет инверсию, а ветер скоростью более 2,5...3,0 м/с разрушает ее. Под пологом густого травостоя, посева, а также леса летом инверсии наблюдаются и днем.
Ночные радиационные инверсии весной и осенью, а местами и летом могут вызывать снижение температуры поверхности почвы и воздуха до отрицательных значений (заморозки), что вызывает повреждение многих культурных растений.
Зимние инверсии возникают в ясную тихую погоду в условиях короткого дня, когда охлаждение деятельной поверхности непрерывно увеличивается с каждым днем; они могут сохраняться несколько недель, немного ослабевая днем и снова усиливаясь ночью.
Особенно усиливаются радиационные инверсии при резко неоднородном рельефе местности. Охлаждающийся воздух стекает в низины и котловины, где ослабленное турбулентное перемешивание способствует его дальнейшему охлаждению. Радиационные инверсии, связанные с особенностями рельефа местности, принято называть орографическими.
2. Адвективные инверсии образуются при адвекции (перемещении) теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность, которая охлаждает прилегающие к ней слои надвигающегося воздуха. К этим инверсиям относят также и снежные инверсии. Они возникают при адвекции воздуха, имеющего температуру выше О "С, на поверхность, покрытую снегом. Понижение температуры в самом нижнем слое в этом случае связано с затратами тепла на таяние снега.
ПОКАЗАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ДАННОЙ МЕСТНОСТИ И ПОТРЕБНОСТИ РАСТЕНИЙ В ТЕПЛЕ
При оценке температурного режима большой территории или отдельного пункта применяют характеристики температуры за год или за отдельные периоды (вегетационный период, сезон, месяц, декада и сутки). Основные из этих показателей следующие.
Средняя суточная температура — среднее арифметическое из температур, измеренных во все сроки наблюдений. На метеорологических станциях Российской Федерации температуру воздуха измеряют восемь раз в сутки. Суммируя результаты этих измерений и деля сумму на 8, получают среднюю суточную температуру воздуха.
Средняя месячная температура — среднее арифметическое из средних суточных температур за все сутки месяца.
Средняя годовая температура — это среднее арифметическое из средних суточных (или средних месячных) температур за весь год.
Средняя кодовая температура воздуха дает лишь общее представление о количестве тепла, она не характеризует годовой ход температуры. Так, средняя годовая температура на юге Ирландии и в степях Калмыкии, расположенных на одной широте, близка (9°С). Но в Ирландии средняя температура января составляет 5...8 "С, и всю зиму здесь зеленеют луга, а в степях Калмыкии средняя температура января —5...—8 °С. Летом же в Ирландии прохладно: 14°С, а средняя температура июля в Калмыкии — 23...26 °С.
Поэтому для более полной характеристики годового хода температуры в данном месте используют данные о средней температуре самого холодного (январь) и самого теплого (июль) месяцев.
Однако все осредненные характеристики не дают точного представления о суточном и годовом ходе температуры, т. е. как раз об условиях, особенно важных для сельскохозяйственного производства. Дополнением к средним температурам являются максимальные и минимальные температуры, амплитуда. Например, зная минимальную температуру в зимние месяцы, можно судить об условиях перезимовки озимых культур и плодово-ягодных насаждений. Данные о максимальной температуре показывают зимой частоту оттепелей и их интенсивность, а летом — число жарких дней, когда возможно повреждение зерна в период налива и т. д.
В экстремальных температурах выделяют: абсолютный максимум (минимум) — самая высокая (низкая) температура за весь период наблюдений; средний из абсолютных максимумов (минимумов) - среднее арифметическое из абсолютных экстремумов; средний максимум (минимум) — среднее арифметическое из всех экстремальных температур, например, за месяц, сезон, год. При этом их можно рассчитать как за многолетний период наблюдений, так и за фактический месяц, год и т. д.
Амплитуда суточного и годового хода температуры характеризует степень континентальное™ климата: чем больше амплитуда, тем климат континентальнее.
Характеристикой температурного режима в данной местности за определенный период служат также суммы среднесуточных температур выше или ниже определенного предела. Например, в климатических справочниках и атласах приводят суммы температур выше 0, 5, 10 и 15 °С, а также ниже —5 и —10 "С.
Наглядное представление о географическом распределении показателей температурного режима дают карты, на которых проведены изотермы — линии равных значений температуры или сумм температур (рис. 4.7). Карты, например, сумм температур используют для обоснования размещения посевов (посадок) различных по требованиям к теплу культурных растений.
Для уточнения термических условий, необходимых растениям, используют также суммы дневных и ночных температур, так как среднесуточная температура и ее суммы нивелируют термические различия в суточном ходе температуры воздуха.
Изучение термического режима раздельно для дня и ночи имеет глубокое физиологическое значение. Известно, что все процессы, происходящие в растительном и животном мире, подвержены природным ритмам, определяемым внешними условиями, т. е. подчинены закону так называемых «биологических» часов. Например, по данным (1964), для оптимальных условий роста тропических растений разница между дневными и ночными температурами должна составлять 3...5°С, для растений умеренного пояса —5...7, а для растений пустынь - 8 °С и более. Изучение дневных и ночных температур приобретает особый смысл для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений, которая определяется соотношением двух процессов — ассимиляции и дыхания, происходящих в качественно разные для растений светлые и темные часы суток.
В средних дневных и ночных температурах и их суммах косвенно учитывается широтная изменчивость длины дня и ночи, а также изменение континентальности климата и влияние различных форм рельефа на температурный режим.
Суммы среднесуточных температур воздуха, близкие для пары метеостанций, размещенных примерно на одной широте, но значительно различающиеся по долготе, т. е. находящиеся в различных условиях континентальности климата, приведены в таблице 4.1.
В более континентальных восточных районах суммы дневных температур на 200...500 °С больше, а суммы ночных температур на 300°С меньше, чем в западных и особенно морских районах, что объясняет давно известный факт — ускорение развития сельскохозяйственных культур в условиях резко континентального климата.
Потребность растений в тепле выражают суммами активных и эффективных температур. В сельскохозяйственной метеорологии активная температура — это среднесуточная температура воздуха (или почвы) выше биологического минимума развития культуры. Эффективная температура — это среднесуточная температура воздуха (или почвы), уменьшенная на значение биологического минимум.
Растения развиваются только в том случае, если среднесуточная температура превышает их биологический минимум, который составляет, например, для яровой пшеницы 5 °С, для кукурузы — 10, для хлопчатника — 13 °С (для южных сортов хлопчатника — 15 °С). Суммы активных и эффективных температур установлены как для отдельных межфазных периодов, так и для всего периода вегетации многих сортов и гибридов основных сельскохозяйственных культур (табл. 11.1).
Через суммы активных и эффективных температур выражают и потребность в тепле пойкилотермных (холоднокровных) организмов как за онтогенетический период, так и за ве. сь биологический цикл.
При расчете сумм среднесуточных температур, характеризующих потребность растений и пойкилотермных организмов в тепле, необходимо вводить поправку на балластные температуры, не'ускоряющие рост и развитие, т. е. учитывать и верхний температурный уровень для культур и организмов. Для большинства растений и вредителей умеренной зоны это будет среднесуточная температура, превышающая 20...25 "С.
