Моделирование межгеосистемных различий влагопереноса в почве-растительности-атмосфере лесостепи

• Автор: Кашутина, Екатерина Александровна
• Шифр специальности: 11.00.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 272 с. + Прил. (207 с. )

ОГЛАВЛЕНИЕ
Том 1. Текст диссертации.
Введение
Глава 1. Основные факторы формирования водного цикла вегетационного
периода в зоне лесостепи
Глава 2. Описание влагопереноса на участках плакорных территорий
лесостепной зоны в период вегетации с использованием модели
Глава 3. Оценка переметров модели. Критерии качества. Чувствительность модели к различным факторам. Проверка модели на независимом материале
Глава 4. Зависимость процессов влагооборота в почве от типа геосистем при
различных метеорологических условиях
Глава 5. Попытка реконструкции исторического гидрологического цикла
вегетационного периода лесостепи
Заключение
Список литературы
Том 2. Приложения
Приложение
Приложение II
Приложение III
Приложение IV
Приложение V
Введение
Обмен теплом и влагой между поверхностью суши и атмосферой - один из основных факторов формирования и изменения климата и речного стока. Его количественная оценка на основе прямых измерений потоков явного и скрытого тепла в атмосфере и их связей с метеорологическими параметрами для различных ландшафтов выполнена в 1940-1960-х годах климатологическими школами М.И.Будыко, А.Р.Константинова, А.С.Монина, Ю.Л.Раунера в СССР (Будыко, 1955, 1956, Моннн, Обухов, 1954, Раунер, 1960-1, 1960-2, Константинов, 1968), Боуэна, Тсрнтвейта, Пенмана в США (Bowen I.S., 1926, Thomthwaite C.W., 1939, 1954, Penman
H.L., 1948). Позднее на основе таких работ сделаны оценки вклада природных зон в формирование климата (Кренке, Золотокрылин, 1984). В это же время в нашей стране интенсивно развивалась ландшафтная гидрология, в нервую очередь связанная с именами В.Г.Глушкова (1933) и М.И.Львовича (1-9'5Оа;‘.’0эОб, 1963), занимающаяся проблемами формирования и изменения водного баланса в различных природных ландшафтах.
Однако в это время в географии существовало некоторое противопоставление между гидрологическими и метеорологическими методами в изучении взаимодействия поверхности суши и атмосферы. Метеорологические оценки не учитывали процессов внутри почвенного и растительного покрова , либо вообще не рассматривая почву, либо определяя ее лишь как пассивную емкость (модель "ведра”), затопляемую или переполняемую избыточной влагой (разностью осадков и испарения), и не различали транспирации влаги через растение от ее испарения с поверхности почвы или с капель воды на листьях. В гидрологических работах испарение рассчитывалось либо по простейшим зависимостям типа формулы Дальтона, уравнения Ольдекопа, или как остаточный член уравнения водного баланса.
В 1960-е годы появляются работы, рассматривающие физические и биологические процессы в системе "подстилающая поверхность - атмосфера" в виде континуума почва-растение-атмосфера (Будаговский, 1964, Philip, 1966). В зарубежной терминологии такие модели получили наименование SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere). В нашей стране разработкой данного подхода в 1970-80-е годы занимались С.В.Нершш, А.Ф.Чудновский (1975), И. И. Су дницын (1979),
О.Д.Сиротенко (1981), Лабораторій гидрологического цикла суши Института Водных Проблем АН (Кучмент и др., 1989, Мотовилов, Старцева, 1985, Старцева, 1992)

границей наибольшее развитие получил подход, предложенный Дирдорфом (DeardorfF J.W., 1978). Детализация описания гидрометеорологических процессов в таких моделях различна и зависит в том числе от поставленной задачи. Однако построение единых моделей SVAT тормозится различием скорости процессов и точности (быстроты) их измерений в почве и атмосфере. Гидрология поверхностного стока и верхних почвенных слоев имеет типичный временной масштаб порядка 1-10 дней, а метеорологические процессы характеризуются временным масштабом около 1 часа (Andre et al., 1986). Турбулентные потоки являются нелинейными функциями от статического состояния нижнего атмосферного слоя, почвенной влажности, температуры поверхности. Поэтому, по мнению Дикинсона (Dickinson et al., 1986), для расчетов диффузионных потоков (например, испарения) нельзя привлекать среднесуточные значения метеорологических элементов, тогда как в гидрологических моделях формирования влажности почвы наиболее часто использующийся шаг по времени - 1 сутки. Вследствие этого к стыковке гидрологических и метеорологических блоков следует подходить с особой аккуратностью.
Примерно в последнее десятилетие исследования в области параметризации моделей типа SVAT получили значительное распространение из-за быстрого развития глобальных моделей климата, требовавших данных о влиянии на вертикальный влагоперенос неоднородностей свойств подстилающей поверхности суши. Применению моделей типа SVAT в рамках моделей климата посвящена работа одного из комитетов Международной Гидрологической Ассоциации - ICASVR (Int. Commitee on Atmosphere-Soil-Vegetation Relations). Глобальные модели климата имеют значительный пространственный масштаб (2.5x2.5°, в последнее время 1.0x1.0°, что в средних широтах примерно соответствует территории в 10000 кв.км). Свойства поверхности и гидрологические процессы сейчас в подобных моделях учитываются достаточно грубо: климатической ячейке присваиваются однородные свойства
растительности и почвы, как правило, по доминирующему на этой территории типам почвенно-растительного покрова (модели BATS Дикинсона (Dickinson et al., 1986), SiB - Селлерса (Sellers et al., 1986), модель И.А.Розинкиной (1991) и другие). Свойства почв в подобных расчетах либо вообще не учитываются, либо используется только грубая классификация по механическому составу (песок, гравий, глина и т.д.) (Cuensa, Mahrt, 1995).
Между тем реальные поверхности неоднородны не только для масштабов 2.5x2.5°, но и для гораздо меньших. Они представляют наборы геосистем с размерами порядка сотен метров или первых километров - посевы различных сельскохозяйственных культур, леса, водоемы, болота, селитебные территории. Набор и соотношение

При глубоком весеннем промачивашш черноземов и бурном развитии растительности за счет активного иссушения корнеобитаемого слоя растительным покровом уже с конца мая - середины июня на границе гумусового и карбонатного горизонтов в полевых геосистемах и с июля-августа в лесных могут возникать достаточные градиенты почвенной влажности для создания на глубине і м потоков влага го нижнего карбонатного в поверхностный гумусовый горизонт (Афанасьева, 1966).
Атмосферная влага, поступающая на поверхность почвы, фильтруется в почву. Процесс инфильтрации определяется структурой и влагонасыщенностью почвенного покрова. Строение почвенного профиля исследуемой территории связано со свойствами покровных отложений, в которых сформировались почвы.
ЕЗ.З.Покровные отложения. Покровные отложения играют огромную роль в создают специфики водного баланса исследуемой территории (Большаков, 1961). Представлены лессовидными породами. Иа поверхности залегает тяжелый пылеватый суглинок, подстилаемый на глубине 190-300 см средним суглинком. Оба лессовидных наноса хорошо сортированы и не содержат частиц крупнее 0.25 мм (фракция среднего песка по классификации Вильямса-Качинского - Роде, Смирнов. 1972). Фракция мелкого песка от 0.25 до 0.05 мм также почти отсутствует. В верхнем тяжелом суглинке отношение крупной пыли (от 0.01 до 0.05 мм) к мелкой (0.001 - 0.01 мм) около 1:1, в нижнем наносе оно равно 2:1 или 3:1. Содержание илистой фракции (<0.001 мм) в наносах варьирует в меньших пределах, но меньше в нижнем суглинке (Афанасьева, 1966). Еще А.Ф.Лебедевым в 1936 году было показано (ссылка по А.Ф.Большакову, 1961), что над контактом подобных слоев задерживается некоторое дополнительное количество влаги по сравнению с тем, которое мог бы удержать однородный слой той же мощности (физические объяснения этого процесса изложены в главе 2, описывающей структуру и параметризацию модели). Таким образом, верхняя кровля среднего суглинка выступает в качестве относительного водоупора, над которым образуется капиллярно-подпертая влага. При увлажнении толщи верхнего тяжелого суглинка свыше НВ (возможно в весенний период) над грающей смены наносов появляется капиллярная подперто-подвешенная влага. Слой повышенного увлажнения над границей смены наносов иногда остается в течение всего вегетационного сезона (Афанасьева, 1966). В период снеготаяния во влажные годы, отличающиеся большим поступлением влаги в почву и промачиванием всей верхней толщи тяжелого суглинка до НВ, часть стаявшей воды может проникать в подстилающий средний суглинок. При этом возможно периодическое промачивание толщи до грунтовых вод, что происходит не каждый год и в ограниченных размерах. При расходе влаги в