Пространственно-временная организация энерговлагообмена на суше тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, доктор географических наук Шмакин, Андрей Борисович

• Шмакин, Андрей Борисович
• доктор географических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор географических наук Шмакин, Андрей Борисович

Введение.

Глава 1. Процессы взаимодействия суши с атмосферой и предварительные сведения об их организации.

1.1. Основные процессы тепловлагообмена на поверхности суши.

1.1.1. Уравнения теплового и водного баланса.

1.1.2. Приток энергии и влаги к поверхности суши.

1.1.3. Усвоение энергии и влаги деятельным слоем суши.

1.1.4. Отток тепла и влаги от поверхности.

1.2. Характерные пространственно-временные масштабы процессов энерговлагообмена.

1.3. Имеющиеся представления об организации энерговлагообмена на суше.

Глава 2. Методика исследования организации энерговлагообмена на суше.

2.1. Математические модели энерговлагообмена на суше.

2.1.1. Упрощённая модель Лаборатории климатологии

ИГ РАН SiLC.

2.1.2. Модель Лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета LaD.

2.1.3. Модель Лаборатории климатологии

ИГ РАН SPONSOR.

2.2. Проведённые численные эксперименты, пространственно-временные масштабы исследований.

Глава 3. Организация энерговлагообмена в масштабе сезонов и природных зон.

3.1. Роль сезонных вариаций метеорологических параметров в среднегодовом энерговлагообмене на суше.

3.2. Универсальная характеристика структуры энерговлагообмена с учётом сезонного хода.

3.3. Упорядоченность и организация сезонных колебаний энерговлагообмена.

3.4. Оценка вклада ландшафтных свойств в организацию тепло- и влагооборота в глобальном масштабе.

3.5. Выводы.

Глава 4. Организация энерговлагообмена в масштабе синоптической изменчивости во времени и пространстве.

4.1. Общая оценка роли межсуточных изменений погоды в среднегодовом энерговлагообмене на суше.

4.2. Характеристика межсуточных изменений энерговлагообмена и его средний режим.

4.3. Показатели упорядоченности энерговлагообмена в масштабе синоптических вариаций.

4.4. Роль пространственных вариаций атмосферных и ландшафтных параметров в организации тепло- и влагооборота на региональном уровне.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственно-временная организация энерговлагообмена на суше»

Задача всестороннего изучения энерговлагообмена поверхности Земли с атмосферой была впервые поставлена ещё более 100 лет назад крупнейшим русским климатологом А.И.Воейковым, который писал о необходимости "ведения приходо-расходной книги солнечного тепла, получаемого земным шаром." [Воейков, 1884]. Многочисленные исследования, проведенные с тех пор во всем мире, позволили обобщить обширные экспериментальные данные, полученные в различных природных условиях, разработать методы эмпирических расчетов составляющих теплового и водного баланса, построить физические теории преобразования энергии, переноса тепла и влаги в приземном слое атмосферы и в подстилающей поверхности. В середине XX века работы под руководством М.И.Будыко [Будыко, 1956; Атлас теплового баланса, 1963] позволили выйти на новый уровень знаний о системе энерговлагообмена на подстилающей поверхности и впервые построить глобальные карты средних многолетних составляющих теплового баланса. С 1970-х годов при расчетах потоков тепла и влаги на суше все больше используется детальная информация о свойствах ландшафтов Реагс1огГ:Г, 1978; Кренке, Золотокрылин, 1984].

В последние десятилетия, во многом благодаря бурному прогрессу в области вычислительной техники, многими исследователями проводятся численные эксперименты по воспроизведению пространственных полей и/или временных рядов энерговлагообмена в региональном и глобальном масштабах. Для этого были разработаны многочисленные расчетные схемы и математические модели тепловлагопереноса. Наличие таких моделей и возможность проведения массовых численных экспериментов позволили изучать механизмы формирования потоков энергии и влаги в самых различных условиях в любых регионах планеты. Для координации этих исследований на международном уровне в 1992 г. был организован проект Р1ЬР8, являющийся составной частью Всемирной программы исследований климата (WCRP) [PILPS Workshop Report, 1992] и продолжающийся до сих пор. При этом внимание исследователей всё больше привлекает не столько "среднеклиматический" режим тепловлагообмена, формирующийся в квазистационарных условиях, сколько характер изменений потоков во времени и пространстве под воздействием тех или иных факторов (см., например, [Schlosser е.а., 2000; Shmakin е.а., 2002]). Корректное воспроизведение потоков тепла и влаги на подстилающей поверхности и их изменений в пространстве и времени чрезвычайно важно при численном моделировании атмосферы, где эти потоки служат нижним граничным условием. Численные эксперименты показывают, что при изменении свойств растительности в пределах, характерных для антропогенных воздействий на неё, может существенно меняться климатический режим во многих регионах Земли [Bounoua е.а., 2002; Chase е.а., 2000], и эти изменения происходят именно через механизмы энерговлагообмена на суше.

Поверхность суши и океанов представляет собой весьма важную часть климатической системы, «замыкающую» её снизу: основная часть тепловой энергии и весь водяной пар поступают в атмосферу именно отсюда. Суша, как известно, занимает существенно меньшую площадь, чем океаны, обладает гораздо меньшей теплоемкостью деятельного слоя из-за отсутствия горизонтального и вертикального перемешивания в нем, а вследствие повышенного по сравнению с океанами альбедо поглощает меньше солнечной радиации, ограничивая тем самым и поступление тепла от неё в атмосферу. Кроме того, ресурсы влагооборота на суше ограничены только той водой, что предварительно выпала на неё из атмосферы. Хотя вследствие указанных причин роль суши в глобальном тепловлагообмене является подчиненной по сравнению с океанами, тем не менее она остается существенным звеном в климатической системе. Здесь происходят некоторые свойственные только ей процессы энерговлагообмена - например, связанные с рельефом, быстрыми смещениями сезонного снежного покрова, покровным оледенением. Суша - основной источник прямого нагрева приземного слоя атмосферы турбулентным потоком явного тепла. Роль суши может быть весьма важна в короткопериодных колебаниях климата именно благодаря относительно малой инерционности, поскольку на ней может довольно резко меняться режим тепловлагооборота, реагируя на кратковременные вариации в приходе энергии и воды. Наконец, процессы энерговлагообмена на суше чрезвычайно важны с точки зрения их воздействия на экономику и условия жизни человечества (через формирование стока, таяние вечной мерзлоты, наводнения и засухи и т.д.).

Понятие организации играет весьма существенную роль при исследованиях сложных систем различной природы. Согласно современной философской терминологии, организация определяется как «внутренняя упорядоченность, согласованность, взаимодействие. частей целого, обусловленные его строением», либо как «совокупность процессов., ведущих к образованию. взаимосвязей между частями целого» [Новый энциклопедический словарь, 2002]. Понятие организации часто используется наряду с понятием структуры, причем последнее принято считать относящимся к относительно стабильным свойствам системы (например, её строению), а первое - к её функционированию и другим динамическим свойствам. В основополагающей статье В.С.Преображенского [1986] разработаны представления об организации и организованности ландшафтов, причём под организованностью автор имел в виду наличие определённых структур в сложной системе (что соответствует первому из приведённых определений [Новый энциклопедический словарь, 2002]), а под организацией - процесс формирования таких структур (т.е. второе из определений словаря). Придерживаясь трактовки В.С.Преображенского, будем считать, что исследование организации направлено на понимание процессов, способствующих возникновению внутренней упорядоченности, согласованности и взаимодействия частей целого. К настоящему времени в какой-то степени изученными можно считать два из важнейших аспектов организации энерговлагообмена, а именно процессы взаимодействия и согласованности в данной системе. В то же время, возникновению упорядоченности тепло- и влагообмена в пространстве и времени до сих пор уделялось не столь пристальное внимание, за исключением отдельных исследований.

Естественно, структура и организация сложной системы проявляются в определенных отношениях к пространству и времени, причем эти отношения связаны с происходящими в системе процессами. Согласно философским концепциям классической физики, пространство и время представляют собой некие самостоятельные сущности - «вместилища» для предметов и явлений -и обусловливают их объемы, возможность и длительность взаимодействия и т.д. [Ньютон, 1936]. По современным (релятивистским) воззрениям, пространство и время, а также и их взаимосвязь, не существуют сами по себе, но являются структурными свойствами материальных систем, зависящими от процессов в этих системах [Эйнштейн, 1966]. Процессы в климатической системе Земли практически полностью описываются на уровне классической физики, однако современные представления об их отношении к пространству и времени в значительной степени опираются на релятивистские взгляды. Это позволяет исследовать характерные пределы и зависимость друг от друга пространственных и временных проявлений данного климатического процесса, в частности методами масштабного анализа. Стало возможным выделять факторы, наиболее существенные для явлений данного пространственно-временного масштаба, и отфильтровывать процессы более низких порядков значимости. Такой подход способствует более детальному изучению физики климатических процессов, их взаимосвязей, относительно устойчивых свойств и изменчивости, и т.д.

Вследствие нелинейности многих процессов энерговлагообмена их упорядоченность (т.е. важнейший компонент организации) может играть ключевую роль в формировании средних по времени и пространству составляющих теплового и водного баланса, которые обычно применяются для характеристики данной территории. Например, тепловлагооборот сильно варьирует во времени вследствие колебаний метеорологических параметров и предшествующего состояния суши. Как известно, климат любой местности реализуется через ансамбли различных состояний погоды, однако набор метеопараметров в данный момент времени крайне редко совпадает с климатическим средним. То же самое происходит и с потоками тепла и влаги на подстилающей поверхности: при среднеклиматических значениях осадков и приходящей радиации (даже с учетом их сезонного хода) получить среднеклиматические значения потоков тепла и влаги чаще всего невозможно, поскольку в большинстве климатических зон эти условия соответствуют "моросящим осадкам при полуясном небе", т.е. ситуации, в которой сток становится практически нереальным, а вся доступная влага испаряется. Однако благодаря упорядоченности во времени атмосферных параметров, в отдельные дни и часы наблюдаются условия, способствующие преобладанию стока, испарения почвенной влаги либо интенсивного потока явного тепла с одного и того же участка суши, т.е. организации энерговлагообмена во времени.

Для суши особенно характерна также пространственная неоднородность её энерговлагообмена с атмосферой вследствие как изменчивости метеорологических параметров, так и пестроты ландшафтных условий. Ландшафты суши и другие природные комплексы (фации и т.п.) благодаря присущей им самоорганизации могут подстраиваться под изменения условий внешней среды, воздействуя в том числе и на энерговлагообмен. При значительных изменениях внешних условий в течение длительного времени данный ландшафт может смениться другим. В более краткосрочном масштабе ландшафты также существенно меняют свои свойства, обеспечивая соответствующие трансформации потоков тепла и влаги (например, меняя альбедо при сходе снега или распускании листвы). Воздушные массы, определяющие погодные условия на больших территориях, обычно тоже упорядочены в пространстве, что отражается в географическом распределении участков с преобладанием тех или иных режимов энерговлагообмена. В результате в данный момент времени тепловлагооборот может быть относительно однородным в одних районах, а в других - формироваться благодаря естественному осреднению между участками, контрастными по погоде и ландшафтным свойствам (перемешивание в пограничном слое атмосферы, формирование речного стока в неоднородных бассейнах). Таким образом, потоки энергии и влаги становятся упорядоченными в пространстве, что и определяет режим тепловлагооборота на значительных территориях.

Актуальность темы. Намеченное исследование организации процессов энерговлагообмена в пространстве и времени даст возможность не только обобщить полученные ранее закономерности поведения потоков энергии и влаги на суше в зависимости от внешних условий, но и составить более полное представление о данной системе в целом, что позволит выйти на новый уровень знаний о ней. В самом деле, организация определяет структуры данной системы, относительно устойчивые в пространстве и времени, а также способ их функционирования и эволюции. Таким образом, разностороннее изучение организации энерговлагообмена на суше сделает возможным выделение относительно инвариантных свойств данных процессов в определенных диапазонах внешних условий, выявление пределов характерной изменчивости потоков энергии и влаги, их взаимосвязи между собой и с другими компонентами климатической системы.

В связи со сказанным целью настоящей работы является исследование упорядоченности и взаимодействия процессов энерговлагообмена на суше в различных масштабах пространства и времени, в том числе при меняющихся свойствах атмосферы и ландшафтов. Выполнение цели связано с реализацией ряда задач:

1) Разработка критериев упорядоченности энерговлагообмена на суше в различных пространственно-временных масштабах.

2) Изучение упорядоченности энерговлагообмена в различных временных масштабах при изменениях свойств атмосферы и ландшафтов.

3) Изучение пространственной организации энерговлагообмена при разномасштабных вариациях метеорологических параметров и свойств суши.

4) Исследование связи организованности энерговлагообмена с его средними характеристиками по пространству и времени.

5) Разработка географической классификации энерговлагообмена при современном состоянии климата и ландшафтов, и принципов учёта в ней временной динамики.

Методы. В работе широко используются математическое моделирование процессов переноса тепла и влаги на суше, а также географический анализ и статистическая обработка измеренных и вычисленных характеристик. Применяется несколько численных моделей энерговлагообмена различной степени сложности: от упрощённой с длинным шагом по времени до детальной с полным учетом всех важнейших процессов тепло- и влагопереноса на суше. Разработан также оригинальный подход к количественному описанию упорядоченности энерговлагообмена, с применением различных показателей упорядоченности для различных масштабов времени и пространства.

Новизна работы. Предлагается качественно новое обобщение существующих знаний об энерговлагообмене на суше на основе выявления упорядоченности и взаимодействия соответствующих процессов в широком спектре пространственно-временных масштабов. В ходе выполнения работы получен ряд качественно новых результатов о функционировании системы энерговлагообмена при изменениях параметров атмосферы и ландшафтов в пространстве и времени, о роли изменчивости внешних факторов в формировании потоков тепла и влаги.

Практическая значимость. Результаты работы позволят прогнозировать изменение всего комплекса энерговлагооборота как целостной системы при определенных сценариях будущего состояния климата и природопользования. В частности, становится возможной оценка частоты экстремальных событий в системе энерговлагообмена (засух, наводнений и т.д.) по метеорологическим данным либо по результатам моделирования. Методы, разработанные в ходе исследования, могут использоваться в целом ряде смежных направлений климатологии. Например, они дают возможность обоснования степени подробности описания процессов на суше при моделировании климата в определённых масштабах. Они могут, кроме того, стать основой для новых способов обработки результатов массовых экспериментов на численных моделях. Наконец, локальные модели энерговлагообмена, использовавшиеся в работе, были существенно усовершенствованы благодаря подходам, разработанным в диссертации.

Личный вклад автора. Автором лично разработано и протестировано две численные модели из трёх, использованных в работе. Постановка проблемы исследования и определение задач, подготовка и проведение численных экспериментов на этих двух моделях, включая программирование на всех стадиях, а также обработка их результатов выполнены лично автором. Разработка и тестирование третьей модели, а также эксперименты на ней, использованные для данной работы, проводились в Лаборатории геофизической гидродинамики (вРБЬ) Принстонского университета при участии автора. Численные эксперименты на своей модели по её сравнению с другими моделями энерговлагообмена выполнялись лично автором по плану международных программ РПЛ^, 5по\уМ1Р и Шюпе-АСС, а их анализ проводился совместно со всеми участниками.

Основные защищаемые положения: - Серия локальных моделей энерговлагообмена на суше с различной подробностью описания процессов;

- Объективные показатели структуры теплового и водного баланса и упорядоченности энерговлагообмена в различных масштабах времени и пространства;

- Количественные оценки роли сезонного и межсуточного хода метеорологических параметров во временной организации энерговлагообмена на суше, а также зональных и региональных различий параметров - в его пространственной организации;

- Принципы географической классификации энерговлагообмена на суше на основе меняющихся соотношений между параметрами;

- Закономерности в соотношениях между различными показателями энерговлагообмена, связанные с его упорядоченностью в пространстве и времени.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на 25 международных конференциях в России и многих других странах, а также на рабочих семинарах в ряде научных организаций России, США, Франции и Австрии. По тематике диссертации опубликовано 39 статей, из них 30 в российских и международных реферируемых журналах и изданиях.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Шмакин, Андрей Борисович

4.5. Выводы

В данной главе исследована роль различных факторов в организации теплового и водного баланса на суше в масштабе синоптической изменчивости как во времени, так и в пространстве. Выполнено несколько серий численных экспериментов на двух моделях энерговлагообмена, и по их результатам сделаны следующие выводы.

1. Игнорирование межсуточных флуктуаций погодных условий приводит к систематическому занижению стока и завышению испарения во всех природных зонах мира - по 22 тестовым речным бассейнам в среднем на 29%. Ведущая роль в межсуточной изменчивости энерговлагообмена принадлежит режиму выпадения осадков.

2. Для характеристики межсуточной изменчивости теплового и водного баланса введено понятие преобладающего потока энерговлагообмена. Использование преобладающих потоков позволяет описать структуру тепло-и влагооборота, частично избавляясь от зависимости от специфики конкретных моделей.

3. В качестве показателей упорядоченности энерговлагообмена в синоптическом масштабе предложена частота смены преобладающих потоков, а также частота смены типов погоды во времени или в пространстве. Для многих регионов Евразии эти показатели тесно связаны со структурой теплового и водного баланса за месяц и более.

4. В большинстве регионов Евразии отношение Боуэна в тёплый сезон обратно пропорционально числу смен преобладающих потоков энерговлагообмена или типов погоды, до некоторого критического значения последней характеристики. При её дальнейшем росте (более 1 смены за 3 дня) отношение Боуэна практически не меняется.

5. Зависимость коэффициента стока от показателей упорядоченности в тёплый сезон может иметь разный характер для засушливых и влажных условий. При общем недостатке влаги учащение смен типов погоды ведёт к росту коэффициента стока, а при избыточном увлажнении - к уменьшению.

6. Пространственная упорядоченность свойств растительности и почвы играет подчинённую роль по сравнению с упорядоченностью метеорологических параметров в масштабе синоптических процессов.

7. Пространственная и временная упорядоченность энерговлагообмена эквивалентны друг другу в масштабе синоптической изменчивости в смысле влияния на отношение Боуэна и коэффициент стока. Отношение Боуэна падает с уменьшением очагов однородных погодных условий до размера около 80-100 км, после которого практически не меняется. В тёплый сезон рост пространственной неупорядоченности ведёт к росту коэффициента стока, а в холодный - к его падению.

8. Пространственная упорядоченность энерговлагообмена сказывается на его составляющих лишь при анализе во временных масштабах от нескольких дней и более, а в более кратковременном диапазоне не оказывает существенного влияния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований получены следующие результаты:

1. Разработаны три модели локального энерговлагообмена на суше с различной степенью детальности воспроизведения процессов. Модели, успешно протестированные на множестве экспериментальных участков, могут использоваться как соответствующие блоки климатических моделей, а также как независимое средство для изучения теплового и водного баланса.

2. Проведено несколько серий экспериментов по исследованию организации энерговлагообмена в масштабах времени от суток до нескольких лет, и в пространственных масштабах от десятков до тысяч километров.

3. Решающую роль во временной организации энерговлагообмена во всех исследованных природных зонах Земли играет сезонный ход метеорологических параметров, задавая основную составляющую упорядоченности потоков тепла и влаги во внутригодовом масштабе.

4. Межсуточная упорядоченность оказывает чрезвычайно важное влияние на организацию тепло- и влагообмена во времени. Главная роль в межсуточной изменчивости энерговлагообмена принадлежит режиму выпадения осадков.

5. Разработаны показатели, позволяющие формализовать описание структуры теплового и водного баланса в различных масштабах времени и пространства на основе модельных переменных. Для сезонных колебаний это показатель соотношения ресурсов тепла и влаги (РТВ), отличающийся от индекса сухости М.И.Будыко учётом сезонных колебаний в соотношении тепла и влаги. Для межсуточных вариаций введено понятие преобладающего потока энерговлагообмена, позволяющее описать структуру тепло- и влагооборота, частично избавляясь от зависимости от специфики конкретных моделей.

6. Показатель РТВ позволяет характеризовать отдельные сезоны, конкретные годы и десятилетия с точки зрения увлажнения суши. На основе показателя РТВ разработаны базовая классификация энерговлагообмена на суше, а также принципы его динамических классификаций. В период современного потепления отмечено повышение увлажнения на большей части Северной Евразии по сравнению с предыдущими десятилетиями.

7. Предложены показатели упорядоченности вариаций энерговлагообмена в различных масштабах времени и пространства. Для оценки сезонной упорядоченности предложены среднеквадратическое отклонение (СКО) индекса РТВ, вычисленное в течение года по 12 среднемесячным значениям, либо СКО соотношения радиационного баланса и осадков. Для вариаций синоптического масштаба это частота смены преобладающих потоков, либо частота смены типов погоды во времени или в пространстве.

8. Максимумы среднегодовых значений индекса РТВ в Северной Евразии формируются в пустынях Средней и Центральной Азии за счёт высоких летних значений, а минимумы - в тундровых районах Субарктики вследствие низких значений индекса в течение всего года. В этих же районах наблюдаются соответственно наибольшая и наименьшая сезонная изменчивость индекса РТВ.

9. Отношение Боуэна в тёплый сезон обратно пропорционально числу межсуточных смен преобладающих потоков энерговлагообмена или типов погоды, до некоторого критического значения числа смен. При его дальнейшем росте (чаще 1 раза в 3 дня) структура теплового баланса практически не меняется.

10. Зависимость коэффициента стока от показателей межсуточной упорядоченности в тёплый сезон может иметь разный характер для засушливых и влажных условий. При общем недостатке влаги учащение смен типов погоды ведёт к росту коэффициента стока, а при избыточном увлажнении - к уменьшению.

11. Пространственная упорядоченность свойств растительности и почвы играет подчинённую роль по сравнению с временной упорядоченностью метеорологических параметров в масштабах как сезонных вариаций, так и синоптических процессов. В то же время, знание географических различий в свойствах ландшафтов позволяет существенно улучшить точность расчётов теплового и водного баланса.

12. Пространственная и временная упорядоченность энерговлагообмена эквивалентны друг другу в масштабе синоптической изменчивости. Отношение Боуэна падает с уменьшением очагов однородных погодных условий до размера около 80-100 км, после которого практически не меняется. В тёплый сезон уменьшение размера очагов ведёт к росту коэффициента стока, а в холодный - к его падению. При этом пространственная упорядоченность энерговлагообмена сказывается на его составляющих лишь во временных масштабах от нескольких дней и более.

Таким образом, в настоящей работе решена важная фундаментальная научная проблема; установлены закономерности формирования упорядоченных структур энерговлагообмена на суше в различных масштабах времени и пространства. Это позволяет изучать динамику тепло- и влагооборота на суше с новых позиций при появившихся возможностях массовых вычислений составляющих теплового и водного баланса. Обоснована возможность оценки теплового и водного баланса территорий на основе упорядоченности параметров для ситуаций, когда детальные вычисления энерговлагообмена невозможны в силу слабой обеспеченности данными. Разработанный подход позволяет прогнозировать структуру теплового и водного баланса ландшафтов суши, а в первом приближении - и частоту экстремальных событий в тепло- и влагообороте для определённых сценариев будущих изменений климата. Полученные результаты показывают возможность разработки относительно несложных процедур для анализа большого числа экспериментов на моделях локального энерговлагообмена.

Полученные результаты позволяют также сделать некоторые заключения о тех требованиях, которые могут предъявляться (с точки зрения энерговлагообмена на суше) к численным моделям климата и другим методам расчётов климатических величин. Главное пожелание, пожалуй, сводится к кардинальному улучшению воспроизведения осадков в климатических моделях как по абсолютным величинам, так и по их распределению в пространстве и времени. Без этого, как свидетельствует данная работа, практически невозможно достоверно описать энерговлагообмен на суше, поскольку осадки и их организация во времени и пространстве играют ключевую роль в этой системе. Между тем, многие современные модели климата не воспроизводят с достаточной точностью даже сезонного хода осадков в больших регионах, не говоря уже о межсуточной изменчивости. Это относится как к обширным частям Евразии, представляющим наибольший интерес для российских специалистов [Торопов, 2005; Шерстюков, 2005; и др.], так и ко многим другим регионам мира.

Что касается учёта процессов на суше в климатических моделях, то необходимо усовершенствовать описание наиболее важных из них, кардинально меняющих систему энерговлагообмена (влагооборот в почве, появление и эволюция снежного покрова, поведение мёрзлых почв и грунтов, и т.д.). При этом требования к точности параметров растительности и почвы могут быть не слишком строгими, поскольку их роль оказывается менее значимой по сравнению с метеорологическими факторами. Достаточно вводить в модели основные различия между типами растительности и почвы, что, как правило, выполняется и сейчас во всех численных моделях.

Кроме того, можно сделать вывод и о желательности широкого применения моделей энерговлагообмена и развитии различных моделей этого класса для оценок всего комплекса процессов преобразования энергии и влаги, происходящих на поверхности суши, т.е. именно в среде обитания человека/Применение таких моделей тем более необходимо, что общие оценки, выполняемые лишь на основе глобальных моделей климата (например, оценка годового стока по разности осадков и испарения, и т.д.) имеют лишь ограниченные возможности для применения. Перспективным можно считать и применение процедур детализации (даунскейлинга), а также других расчётных методов, позволяющих точнее описать пространственно-временное распределение осадков, облачности и других метеорологических параметров. При этом необходимо учитывать как минимум сезонный ход параметров, а если этого требует масштаб процессов - то и их межсуточные вариации. Использование среднегодовых значений возможно лишь для очень ограниченного круга задач.

Список литературы диссертационного исследования доктор географических наук Шмакин, Андрей Борисович, 2006 год

1. Антипов А.Н., Фёдоров В.Н. Ландшафтно-гидрологическая организация территории. Новосибирск, СО РАН, 2000,254 с.

2. Атлас теплового баланса земного шара. М., АН СССР, 1963, 69 с.

3. Барри Р. Погода и климат в горах. Л., Гидрометеоиздат, 1984,311 с.

4. Беручашвили Н.Л. Четыре измерения ландшафта. М., Мысль, 1986,182 с.

5. Братсерт У.Х. Испарение в атмосферу: теория, история, приложения. Л., Гидрометеоиздат, 1985, 352 с.

6. Будыко М.И. Климат и жизнь. Л., Гидрометеоиздат, 1971, 472 с.

7. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л., Гидрометеоиздат, 1956,256 с.

8. Воейков А.И. Климаты земного шара, в особенности России. СПб, Издание картографического заведения А.Ильина, 1884,640 с.

9. Григорьев A.A., Будыко М.И. Классификация климатов СССР. "Известия АН СССР, серия Географическая", 1959, № 3.

10. Григорьев A.A., Будыко М.И. О сезонных изменениях климатических факторов географической зональности. "Доклады АН СССР", 1962, т.143, №2.

11. Грин A.M., Клюев H.H. Устойчивость, изменчивость, временная организованность геосистем. В сб. «Временная организованность геосистем», М., АН СССР, 1988, с. 13-27.

12. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Обнаружение изменений в состоянии климата, изменчивости климата и экстремальности климата. Всемирная конференция по изменению климата. Тезисы докладов. М., 2003, с.28-30.

13. Гусев Е.М., Насонова О.Н., Джоган Л.Я. Моделирование процессов теплового, водного и углеродного обмена в экосистеме соснового леса. «Известия РАН, серия Физика атмосферы и океана», 2005, том 41, № 2, с.227-241.

14. Ефимова H.A., Строкина JI.A. Радиационный баланс поверхности континентов и океанов в летний и зимний сезоны. «Метеорология и гидрология», 1988, №9, с. 23-29.

15. Золотокрылин А.Н. Климатическое опустынивание. М., Наука, 2003,246 с.

16. Зубенок Л.И. Испарение на континентах. Д., Гидрометеоиздат, 1976,264 с.

17. Исаев A.A. Атмосферные осадки. Часть I. Изменчивость характеристик осадков на территории России и сопредельных стран. М., МГУ, 2002,192 с.

18. Исаев A.A. Атмосферные осадки. Часть II. Мезоструктура полей жидких осадков. М., МГУ, 2001,100 с.

19. Казанский А.Б., Золотокрылин А.Н. Особенности теплового баланса поверхности аридных территорий. "Известия АН СССР, серия Географическая", 1986, № 4, с.23-32. ., 1981, 160 .

20. Кислов A.B. Климат в прошлом, настоящем и будущем. М., МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001, 352 с.

21. Кренке А.Н., Золотокрылин А.Н. Исследование роли типов растительности во взаимодействии подстилающей поверхности и атмосферы. "Известия АН СССР, серия Физика атмосферы и океана", 1984, т.20, № 11, с. 10811088.

22. Кренке А.Н., Китаев JIM., Кадомцева Т.Г. Межгодовые изменения снежного покрова на территории СНГ. «Материалы метеорологическихисследований», М., РАН, Национальный геофизический комитет, 1997, вып. 16, с. 6-24.

23. Мещерская A.B. (ред.). Многолетние ряды месячных сумм средних областных осадков за холодный период для основной сельскохозяйственной зоны СССР. Л., Гидрометеоиздат, 1988,286 с.

24. Мещерская A.B., Воробьёва Е.К. Оценка зависимостей между температурно-влажностным режимом и суммарным речным притоком в Каспийское море. «Метеорология и гидрология», 1990, №9, с. 78-84.

25. Минин A.A. Динамика водорегулирующих свойств поверхности суши в течение вегетационного периода. «Материалы метеорологических исследований», М., Междуведомственный геофизический комитет, 1988, вып. 14, с.47-54.

26. Михайлов А.Ю. Расчет климатических полей осадков в районах со сложной орографией. «Материалы метеорологических исследований», М., Междуведомственный геофизический комитет, 1986. Вып. 10, с. 17-22.

27. Монин A.C. Введение в теорию климата. Л., Гидрометеоиздат, 1982, 248 с.

28. Мохов И.И. Диагностика структуры климатической системы. Спб, Гидрометеоиздат, 1993, 271 с.

29. Мохов И.И., Хон В.Ч. Гидрологический режим в бассейнах сибирских рек: модельные оценки изменений в XXI веке. «Метеорология и гидрология», 2002, №8, с. 77-93.

30. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. М., Мир, 1979.

31. Новый энциклопедический словарь. М., «Большая Российская энциклопедия», 2002,1456 с.

32. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Собр. соч. под ред. А.Н.Крылова. М.-Л., АН СССР, 1936, т.7.

33. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л., Гидрометеоиздат, 1982, 360 с.

34. Панин Г.Н., Насонов А.Е. Проблемы измерения, вычисления и параметризации приповерхностных вертикальных турбулентных потоков на суше. «Известия РАН. Физика атмосферы и океана». 1996, т.32, с. 448455.

35. Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Шанталинский K.M., Наумов Э.П., Тудрий В.Д. Современные глобальные и региональные изменения окружающей среды и климата. Казань, УНИПРЕСС, 1999, 96 с.

36. Переведенцев Ю.П., Трофимов A.M. Принципиальные подходы к построению моделей региональной организации окружающей среды. В кн. «Атмосферная циркуляция, климат, загрязнение воздуха», Казань, изд-во Казанского университета, 1994, с. 121-128.

37. Пивоварова З.И. Радиационные характеристики климата СССР. Д., Гидрометеоиздат, 1977, 355 с.

38. Попова В.В. Структура многолетних колебаний высоты снежного покрова в Северной Евразии. Метеорология и гидрология, 2004, № 8.

39. Преображенский B.C. Организация, организованность ландшафтов. Препринт. М., ИГ АН СССР, 1986,20 с.

40. Раунер Ю.Л. Тепловой баланс растительного покрова. Д., Гидрометеоиздат, 1972, 209 с.

41. Розинкина И.А. Модель Гидрометцентра России почва-растительность-приземный слой атмосферы: алгоритм и результаты тестирования. Метеорология и гидрология, 2001, №3, с. 19-33.

42. Рубинштейн К.Г., Шмакин А.Б. Оценки сезонного хода крупномасштабного речного стока в глобальной модели общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России. «Метеорология и гидрология», 1999, №4, с.47-59.

43. Руднев Н.И. Радиационный и тепловой баланс фитоценозов. М., Наука, 1984, 112 с.

44. Самарина H.H. Внутригодовая изменчивость микроклимата геосистем. В сб. «Геосистема во времени», М., АН СССР, 1991, с. 78-88.

45. Сивков С.И. Методы расчёта характеристик солнечной радиации. JL, Гидрометеоиздат, 1968,232 с.

46. Торопов П.А. Оценка качества воспроизведения моделями общей циркуляции атмосферы климата Восточно-Европейской равнины. «Метеорология и гидрология», 2005, № 5, с.5-21.

47. Черкасов П.А. Радиационный баланс физической поверхности горного ледника в период абляции. Алма-Ата, Наука, 1980,144 с.

48. Швер Ц.А. Закономерности распределения осадков на континентах. Л., Гидрометеоиздат, 1984,285 с.

49. Шерстюков Б.Г. Ошибки описания регионального климата атмосферно-океаническими моделями на примере Московского региона. «Метеорология и гидрология», 2005, № 5.

50. Шмакин А.Б. Параметризация процессов в снежном покрове, промерзающей и оттаивающей почве для моделей климата. «Метеорология и гидрология», 1999, №2, с.32-44.

51. Шмакин А.Б. Сезонная организация регионального энерговлагообмена суши с атмосферой. «Известия РАН, серия географическая», 2006, № 5.

52. Шмакин А.Б., Попова В.В. Влияние Северо-Атлантического колебания на многолетний гидротермический режим Северной Евразии. 2. Моделирование внутривековых колебаний теплового и водного баланса. «Метеорология и гидрология», 2003, №6, с.62-74.

53. Шмакин А.Б., Попова В.В. Динамика климатических экстремумов в Северной Евразии в конце XX века. «Известия РАН, Физика атмосферы и океана», 2006, т. 42, №2, с. 1-10. . « » , 1981. . 144-159.

54. Эйнштейн А. Относительность и проблема пространства. Собр. науч. трудов, М., Наука, 1966, т.2, с. 744-848.

55. Boone A., F. Habets, J. Noilhan, D. Clark, P. Dirmeyer, S. Fox, Y. Gusev, I. Haddeland, R. Koster, D. Lohmann, S. Mahanama, K. Mitchell, O. Nasonova, G.-Y. Niu, A. Pitman, J. Polcher, A.B. Shmakin, K. Tanaka, B. van den Hurk, S.

56. Verant, D. Verseghy, P. Viterbo, Z.-L. Yang. The Rhone-Aggregation land surface scheme intercomparison project: an overview. «Journal of Climate», 2004, Vol.17, No.l, pp. 187-208.

57. Bounoua L., DeFries R., Collatz G.J., Sellers P., Khan H. Effects of land cover conversion on surface climate. "Climatic Change", 2002, Vol.52, No. 1-2, pp.2964.

58. Chase T.N., Pielke R.A., Kittel T.G.F., Nemani R.R., Running S.W. Simulated impacts of historical land cover changes on global climate in northern winter. "Climate Dynamics", 2000, Vol.16, pp.93-105.

59. Clapp, R.B. and Hornberger, G.M., 1978. Empirical equations for some soil hydraulic properties. "Water Resources Research", Vol. 14, No. 4, pp. 601-604.

60. Climate Diagnostics Center of NOAA-CIRES. http://www.cdc.noaa.gov/

61. Darnell W.L., W.F. Staylor, N.A. Ritchey, S.K. Gupta, A.C. Wilber. Surface radiation budget: a long-term global dataset of shortwave and longwave fluxes. http://www.agu.org/eoselec/95206e.html

62. Deardorff J.W. Efficient prediction of ground surface temperature and moisture with inclusion of a layer of vegetation. "Journal of Geophysical Research", 1978, Vol.83, No.C4, pp. 1889-1903.

63. Eagleson P.S. Climate, soil and vegetation. Parts 1-7. "Water Resources Research", 1978, Vol.14, No.5, pp.705-776.

64. Global Runoff Data Center, GRDC Catalogue Tool 2.2 for Windows95/NT, computer program, D-56068 Koblenz, Germany, 1998. GSWP-2: The Second Global Soil Wetness Project Science and Implementation Plan. International GEWEX Project Office, 2002.

65. Systems Analysis, Laxenberg, Austria, 1990, 55 p. Liang X., Wood E.F., Lettenmaier D.P., Lohmann D., Boone A., Chang S., Chen F., Dai Y., Desborough C., Dickinson R.E., Duan Q., Ek M., Gusev Y.M.,

66. Water Resources Research", 1994, Vol. 30, No.?, pp. 2143-2156. Milly P.C.D., Shmakin A.B. Global modeling of land water and energy balances:

67. The Land Dynamics (LaD) model. "Journal of Hydrometeorology", 2002, Vol.3, No.3, pp.283-300.

68. Milly P.C.D., Shmakin A.B. Global modeling of land water and energy balances:

69. Land-characteristic contributions to spatial variability. "Journal of Hydrometeorology", 2002, Vol.3, No.3, pp.301-310.

70. Milly P.C.D., Dunne K.A. Macroscale water fluxes: 1. Quantifying errors in the estimation of basin-mean precipitation. "Water Resources Research", 2002, Vol. 38, No. 10,1205, DOI 10.1029/2001WR000759.

71. Milly P.C.D., Dunne K.A. Macroscale water fluxes: 2. Water- and energy-supply control of their interannual variability. "Water Resources Research", 2002, Vol. 38, No. 10,1206, DOI 10.1029/2001WR000760.

72. MPIECHAM5 model outputs, http://www.mpimet.mpg.de/en/web/index.html

73. New M., Hulme M., Jones P. Representing Twentieth-Century Space-Time Climate Variability. Part I: Development of a 1961-1990 Mean Monthly Terrestrial Climatology. "Journal of Climate", 1999, Vol.12, No.3, pp. 829-856.

74. New M., Hulme M., Jones P. Representing Twentieth-Century Space-Time Climate Variability. Part II: Development of 1901-96 Monthly Grids of Terrestrial Surface Climate. "Journal of Climate", 2000, Vol.13, pp. 2217-2238.

75. PILPS Workshop Report, Columbia, Maryland, 24-26 June 1992, and first science plan. GEWEX-WCRP. Project for Intercomparison of Land-surface Parameterization Schemes (PILPS). IGPO Publication Series, September 1992, No. 5, 32 pp.

76. Shannon C.E. Computers and automata. Proc.IRE, 1953, vol.41, pp.1234-1241.

77. Shmakin A.B. The updated version of SPONSOR land surface scheme: PILPS-influenced improvements. "Global and Planetary Change", 1998, Vol. 19, No. 14, pp. 49-62.

78. Shmakin A.B. Estimation of energy/water budget in remote areas during long time periods using the weather type information. Vllth IAHS Scientific Assembly, Foz de Iguacu, Brazil, 3-9 April 2005, Workshop W6, PAP 0290.

79. Shmakin A.B., Milly P.C.D., Dunne K.A. Global modeling of land water and energy balances: 3. Interannual variability. "Journal of Hydrometeorology", 2002, Vol.3, No.3, pp.311-321.

80. Shmakin A.B., Myasnikova T.A. Influence of spatial variability of atmospheric and land cover parameters onto heat/water exchange in the Rhone basin. Geophysical Research Abstracts, Vol.4,2002,27th EGS General Assembly, abstract EGS02-A-05247.

81. Shouse P.J., Ellsworth T.R., Jobes J.A. Steady-state infiltration as a function of measurement scale. "Soil Science", 1994, vol.157, pp.129-136.

82. Thom, A.S., 1975. Momentum, mass and heat exchange of plant communities. In: Monteith J.L. (Editor). Vegetation and the atmosphere. Academic Press, 1975, Vol.1, pp. 57-109.

83. Thornthwaite C. W. An approach toward a rational classification of climate. "Geogr. Rev.", 1948, vol.38, pp.55-94.

84. Turnipseed A.A., P.D. Blanken, D.E. Anderson, R.K. Monson. Energy budget above a high-elevation subalpine forest in complex topography. "Agricultural and Forest Meteorology", 2002, Vol.110, pp. 177-201.

85. Viovy N. GLASS workshop on the PILPS carbon experiment 6-7 May, 2003, Gif sur Ivette, France. «GEWEX News», 2003, Vol. 13, No.2, p. 16.