Процессы снеготаяния: международная версия

Введение

Снеготаяние – неотъемлемая составляющая процесса гидрологического прогнозирования во многих частях мира. Для прогнозирования наводнений и паводков очень важно знать характеристики пространственной и временной эволюции снежного покрова, скорость снеготаяния и влияние высвободившейся в процессе водоотдачи воды.

Снежный покров в горах на полуострове Кенай, Аляска.

В этом уроке мы рассмотрим влияние факторов окружающей среды на распределение снега и характеристики снежного покрова. Мы также исследуем то, как протекает теплообмен между снегом и атмосферой, и как этот процесс влияет на скорость таяния снега. Наконец, обсудим что происходит с талой водой после того, как она достигнет поверхности земли.

В этом уроке вы научитесь:

  • Описывать развитие и эволюцию снежного покрова:
    • Объяснять влияние особенностей местности, ветра, растительности, и температуры.
    • Описывать влияние сублимации на снежный покров.
    • Объяснять процесс метаморфизма снега.
    • Объяснять понятия соотношение снег–вода (SLR) и водный эквивалент снега (SWE).
    • Объяснять, почему процессы теплообмена на поверхности снега важны.
  • Описывать процессы, которые происходят до и во время таяния снега:
    • Объяснять важность скрытого (латентного) теплообмена.
    • Описывать условия, необходимые для быстрого снеготаяния.
    • Объяснять роль жидких осадков в процессе снеготаяния.
  • Описывать то, что происходит с талой водой:
    • Описывать процессы перемещения воды внутри снежной толщи.
    • Объяснять то, что происходит, когда талая вода достигает поверхности земли.

Распределение снега

Горный хребет, покрытый снегом. Подножье горы покрыто лесом, а оголенная вершина обдувается ветром со снегом.

Распределение снега может существенно изменяться даже на небольшой площади, особенно при наличии резких изменений ландшафта и типа растительности. Понимание пространственных и временных различий в накоплении снега важно при составлении гидрологических прогнозов, учитывающих снеготаяние, особенно для регионов, где измерения высоты снежного покрова проводятся крайне редко.

Влияние растительности

Особенности местности и растительности могут заметно влиять на формирование запасов снега на земле: непосредственно задерживая снег или локально влияя на скорость и направление ветра.

Количество снега, накапливающегося на земле в лесной зоне, регулируется двумя основными факторами. Первый из них – это турбулентный поток воздуха, который может привести к изменению количества осаждающегося на земле снега и несколько увеличить его скопления с подветренной стороны лесных массивов.

Влияние воздушных масс в лесном массиве при обычном снегопаде и в метель.

Второй фактор – непосредственная задержка (перехват) снега растительностью. Снег, который перехватывается, например, деревьями, больше подвержен влиянию ветра и солнца, нежели снег на земле. Отношение площади поверхности к массе у него больше, что, в свою очередь, делает его более подверженным сублимации и/или таянию.

Иллюстрация того, что снег на пологе леса более подвержен влиянию ветра и солнца.

Количество снега, которое может быть задержано пологом леса, напрямую зависит от типа деревьев. Хвойные деревья достаточно эффективно задерживают снег. Лиственные же деревья, будучи без листвы в течение большей части сезона со снегом, на это не способны.

Различия в высоте снежного покрова в лиственном и хвойном лесу

Потери снега на сублимацию в лесном массиве из хвойных деревьев могут быть достаточно значительными, достигая в некоторых регионах 40% от общего объема выпавшего за сезон снега. Однако увеличение сублимации снега с полога леса может компенсироваться из-за теней, отбрасываемых деревьями. Исследования на Аляске показали, что сублимация снега с поверхности земли на территориях, покрытых растительностью, примерно на 60% меньше, чем на территориях без растительности.

Перехват снега деревьями и последующая его сублимация являются основными, но не единственными, факторами, влияющими на различие количества накопленного снега на свободном участке пространства и на участке, густо покрытом растительностью. На открытых полянах в лесу снегонакопление значительно больше, чем под пологом леса – на 20-45%.

Различия в высоте снежного покрова на открытой местности и в лесном массиве

Важнейшим фактором являются размеры открытого пространства. Если горизонтальные размеры поляны значительно превышают высоту окружающих ее деревьев, то она будет продуваться со всех сторон ветром. Сдуваемый ветром снег, в итоге, может скопиться с подветренной стороны леса.

Открытое пространство и ветровой перенос снега

В регионах с дефицитом растительности влияние микромасштабных различий может привести к значительной разнице в снегонакоплении, как это показано на фотографиях ниже.

Горный хребет, покрытый снегом.
Травянистый пляж, неравномерно покрытый снегом.

Рассмотрим некоторые относительные величины снегонакопления на открытых участках. Эти значения отнесены к так называемым «залежным равнинам (землям)», или относительно ровному участку земли, на котором на протяжении длительного времени не сажали, не пахали, не убирали урожай. Например, в лесном массиве, где ветер замедляется и скапливается немного больше снега, могло бы накопиться в 2,4 раза больше снега, чем на «залежных равнинах». В расположенной ниже таблице приведены значения относительной высоты снежного покрова для различных типов ландшафта.

Таблица относительной высоты снежного покрова для различных типов ландшафтов

Вопрос

Проверьте, верно ли вы поняли: влияние растительности.

Лиственные деревья не способствуют увеличению снегонакопления на земле под ними и/или непосредственно с подветренной стороны. (Выберите лучший ответ)

Правильный ответ – б.

Не смотря на то, что лиственные деревья не так эффективно перехватывают снег, как хвойные, тем не менее, снег частично задерживается на их ветвях. Их наличие также снижает ветровую нагрузку, благодаря большему количеству преград и турбулентности, что увеличивает аккумуляцию снега вокруг деревьев и непосредственно с подветренной стороны, по сравнению с окружающей открытой территорией.

Выберите.
Макросъемка переноса частиц снега ветром по поверхности снега.

Метель чаще наблюдается на открытой местности. С учетом скорости ветра выделяют три различных типа метели. Приведенная ниже таблица содержит данные о различных типах метелей.

Таблица типов метелей и движения снега, высоты метели и скорости ветра.

Скорость перемещения снега примерно пропорциональна скорости ветра на высоте 10 м в кубе (в третьей степени). Это значит, что удвоение скорости ветра приведет к увеличению скорости перемещения снега в 8 раз. Конечно, и другие характеристики, такие как плотность снега или твердость снежного покрова будут влиять на этот показатель. Так, для начала перемещения более старого, метелевого снега может потребоваться ветер со скоростью в два раза большей.

Характеристики снежного покрова

Метель может также оказывать существенное влияние на характер снежного покрова.

При незначительном ветре свежевыпавший снег обычно состоит из нетронутых кристаллов с крупными пустотами между ними. Когда же снег сдувается ветром и переносится с одного места на другое, то кристаллы льда ломаются, и снежинки приобретают более округлую форму. Это приводит к уплотнению снежного покрова за счет более тесного прилегания частиц снега друг к другу.

Кристаллы свежевыпавшего снега в первоначальном виде (в данном случае – дендриты), показаны в толще снежного покрова. Представлены в сравнении с более старым снегом, кристаллы которого имеют более округлую форму и располагаются в более плотном и не таком высоком слое снега.

Под электронным микроскопом эти различия видны значительно лучше:

Изображение свежевыпавших дендритов и более старых кристаллов метелевого снега под электронным микроскопом.

Говоря о плотности снежного покрова, мы, прежде всего, имеем в виду отношение массы к единице объема, и обычная плотность снега составляет примерно 0,1 г/см3. То есть плотность снега в десять раз меньше плотности воды, поскольку он состоит как из воды, так и из воздуха. Другим важным фактором, который определяет плотность снежного покрова, является количество присутствующей в нем жидкости.

Понимание сути термина«водный эквивалент снега» важно для составления гидрологических прогнозов. Сухой снег содержит в себе 0% жидкости и не слипается. Вода составляет несколько процентов от общего объема влажного снега. В приведенной ниже таблице показана классификация снега по содержанию в нем воды в жидком виде, а также – очевидные отличия и физические характеристики различных типов снега.

Классификационная таблица, показывающая содержание жидкости в разных видах снега, от сухого до частично растаявшего.

Водный эквивалент снега и соотношение снег–вода

Говоря о снежном покрове, гидрологи обычно выражают его плотность как отношение высоты снежного покрова к толщине слоя воды, который бы получился в случае таяния всего этого объема снега. Толщина слоя воды, образовавшегося при полном таянии снега на горизонтальной поверхности, получила название водный эквивалент снега или SWE. Например, снег высотой 10 единиц, влажность которого составляет 20%, растаяв, образует слой воды толщиной 2 единицы.

Объем воды, рассчитанный на основе данных о высоте снежного покрова и водном эквиваленте снега (в %)

Также используют безразмерное отношение высоты снежного покрова к толщине слоя жидкости, образующейся в результате таяния, получившее название отношение снег–вода (SLR). В приведенном выше примере высота снежного покрова равна 10 единиц, а толщина слоя талой воды – 2 единицы. Следовательно, отношение снег–вода (SLR) составит 5:1.

Объем воды, рассчитанный на основе данных о высоте снежного покрова и отношения снег–вода.

Вот некоторые примеры стандартных отношений снег–вода для различных условий. Свежевыпавший снег при относительно спокойном ветре и температуре ниже нуля (ниже температуры замерзания), имеет влажность около 5%; тогда SLR составит 20:1. Однако в некоторых случаях это отношение может быть намного выше, чем 20:1. Время от времени встречаются такие отношения, как 40, 60 или даже 80:1. Если снег начинает оседать, повышается его температура или он подвергается ветровому переносу, или же наблюдается сочетание этих трех условий, то отношение снег–вода уменьшается, в то время как водный эквивалент снега увеличивается. Для нескольких условий это показано в приведенной ниже таблице.

Таблица: виды снега, типичные для них температуры, значения водного эквивалента снега, коэффициенты его пересчета в отношение снег–вода и значения этих отношений.

Вопрос

Расчет отношения снег–вода (SLR)

Снежный покров высотой 40 единиц при таянии образует слой воды толщиной 2 единицы.

Объем снега показан на рисунке справа и составляет 40 единиц высоты. Мы растопили весь этот снег и получили слой воды глубиной 2 единицы. Чему будет равно отношение снег–вода? (Выберите лучший ответ)

Правильный ответ – г.

Отношение 40 единиц к 2 единицам сокращается до 20:1.

Выберите.

Вопрос

Расчет отношения снег–вода 2

В вашем регионе прошел первый снегопад в этом сезоне, и выпало 50 единиц снега. По имеющимся данным отношение SLR составляет 5:1. Сколько образуется жидкой воды, если растает весь выпавший снег? (Выберите лучший ответ)

Правильный ответ – б.

Выберите.

Температура

При оценке того, какими могут быть характеристики снеготаяния, очень важно учитывать температурный профиль снежного покрова. Физические процессы, происходящие в снежном покрове, в значительной степени зависят от наличия температурного градиента между его верхним и нижним слоями.

Некоторая разница температур, как правило, существует, поскольку при контакте с землей нижних слоев снежного покрова к ним практически всегда поступает некоторое количество геотермального тепла, в то время как верхние слои граничат с относительно холодным воздухом. Температура верхней части снежного покрова часто непостоянна в течение суток из-за изменения солнечной активности. Внутренние слои снежной толщи могут нагреваться за счет скрытой теплоты, высвобождающейся в ходе замерзания талой и просочившейся дождевой воды.

Изотермические условия наблюдаются в тех случаях, когда по всей толщине снежного покрова температура постоянна, и температурный градиент отсутствует. Если снежный покров изотермичен, и его температура равна или близка 0 °С, то такой снег считается «созревшим» и может начать быстро таять.

Температурный профиль снежного покрова днем и ночью.

Метаморфизм снега

Различают два основных типа метаморфизма снега: метаморфизм сухого снега и метаморфизм таяния–замерзания. В случае метаморфизма сухого снега вода в жидком виде не присутствует и температура, как правило, ниже температуры замерзания (ниже 0 °C).

Метаморфизм сухого снега также бывает двух типов. Во-первых, это «уравновешивание» или «агломерация», которые происходят при незначительных температурных градиентах в снежном покрове. Изменения в кристаллической структуре снега часто приводят к тому, что связь между кристаллами становится более плотной. Когда водяной пар попадает на кристаллы, то имеющиеся пустоты заполняются и края становятся более округлыми. В некоторых случаях, осаждение пара и следующие за этим изменения формы кристалла настолько значительны, что уже нельзя определить первоначальную структуру и тип кристалла. Новые, более округлые формы приводят к увеличению плотности снежного покрова и, следовательно, большему значению SWE на единицу его глубины. Это – самый важный для гидрологии снега вид метаморфизма сухого снега.

Другой тип метаморфизма сухого снега – «кинетической рост», который происходит, когда температурные градиенты в снежном покрове превышают 10 °C м-1. Кристаллы с измененной структурой часто непрочно связаны между собой, что может привести к уменьшению плотности снега.

Изменения кристаллов снега при метаморфизме сухого снега (изображение под электронным микроскопом).

В случае метаморфизма таяния–замерзания, температура снежного покрова близка или равна температуре замерзания. В нем присутствует вода в жидком виде и разрушаются преимущественно небольшие кристаллы снега, в то время как крупные округляются в процессе таяния. В итоге становится трудно определить первоначальную структуру кристалла. Таяние и повторное замерзание приводит к формированию более крупных кластеров плотно прилегающих друг к другу частиц, как это показано на фотографии ниже. В процессе повторения метаморфизма таяния–замерзания значение SWE на единицу глубины может значительно увеличиться.

Изменения кристаллов снега при метаморфизме таяния–замерзания (изображение под электронным микроскопом).

Процессы теплообмена

Схематически основные факторы, способствующие обмену теплом (энергией) на поверхности снега, можно изобразить так, как это сделано на приведенной ниже диаграмме. Символом «К» обозначены компоненты солнечной радиации, как приходящей, так и отраженной. Символом «L» – длинноволновая радиация, как приходящая, так и отраженная. Турбулентный перенос скрытой и явной теплоты обозначен как Qскр и Qявн, соответственно. Теплопроводность почвы (Qп) играет роль в нижней части снежного покрова. И, наконец, адвективное тепло, Qадв, выделяющееся при выпадении дождя на поверхность снежного покрова.

Тепловой баланс снежного покрова включает длинно- и коротковолновую радиацию, турбулентный перенос скрытого и явного тепла, теплопроводность почвы и адвективное тепло.

Солнечная радиация и отражательная способность (альбедо)

Отражательная способность поверхности (альбедо) – это отношение количества отраженной поверхностью солнечной радиации к общему количеству падающей на нее солнечной радиации. Альбедо снега может существенно изменяться в зависимости от нескольких условий. Когда снег только выпал, и его кристаллы еще находятся в первозданном виде, альбедо может достигать 90%. Обычно значение альбедо свежевыпавшего снега не менее 80%. Чем старше снег, тем его кристаллы становятся более округлыми в результате метаморфизма сухого снега, метаморфизма таяния–замерзания или метелевого переноса. Эти факторы существенно снижают способность снега отражать солнечную радиацию. Кроме того, отражательная способность снежного покрова может уменьшиться из-за накопления загрязняющих частиц на его поверхности. Важно также учитывать угол падения солнечных лучей на поверхность. Угол падения солнечных лучей относительно небольшой в течение периода снегонакопления. Температура в этот период, как правило, ниже, и альбедо снега склонно изменяться гораздо медленнее, чем в период снеготаяния, когда солнечная радиация поступает значительно интенсивнее, и в течение дня температура изменяется сильнее.

В результате воздействия этих факторов, альбедо снега обычно резко снижается в течение нескольких дней после снегопада. Затем отражательная способность обычно устанавливается на уровне 60% в течение периода снегонакопления и 40% в течение периода снеготаяния. Приведенный ниже график показывает, как альбедо изменяется на протяжении обоих периодов с течением времени, прошедшим с момента выпадения снега.

Изменение альбедо снега за время после последнего снегопада (дни)

Скрытая теплота

Обмен скрытой (латентной) теплотой является очень важным фактором, определяющим, будет ли снег таять. Обмен скрытой теплотой с окружающей средой происходит в случае изменения агрегатного состояния воды. Например, скрытая теплота плавления, или энергия, необходимая для превращения жидкой воды в лед (или наоборот), составляет около 1/3 МДж/кг. Скрытая теплота испарения, или энергия, необходимая для перехода воды из жидкого состояния в газообразное, и скрытая теплота сублимации, или энергия, необходимая для перехода из твердого состояния непосредственно в газ (или наоборот), примерно в восемь раз больше, чем скрытая теплота плавления, как показано на рисунке ниже.

Схема обмена скрытой теплотой при переходе: 1) лед–вода, 2) вода–водяной пар, 3) лед–водяной пар.

Это означает, что когда снег напрямую сублимирует в атмосферу, или водяной пар атмосферы оседает непосредственно на снежный покров, происходит резкое изменение температуры поверхности снега.

Важным фактором, который необходимо учитывать в процессе обмена скрытой теплотой, является упругость водяного пара в атмосфере, которая может быть примерно оценена по температуре точки росы.

При уменьшении упругости водяного пара в атмосфере с увеличением высоты, влага из снега будет испаряться в атмосферу над ним. В этом случае влага из снега сублимирует, снежный покров теряет скрытое тепло, и снег остается холодным, даже если температура воздуха будет достаточно высокой.

Когда упругость водяного пара в атмосфере возрастает с увеличением высоты, влага из атмосферы будет оседать на поверхность снега. В этом случае снежный покров получает дополнительное скрытое тепло и его температура будет повышаться. Это может привести к началу его таяния. Для таяния при таких условиях необходим достаточно сильный ветер, который способен создать турбулентный перенос, в процессе которого теплый и влажный воздух над поверхностью снега постоянно воздействовал бы на него.

Упругость водяного пара в атмосфере уменьшается с высотой VS Упругость водяного пара в атмосфере увеличивается с высотой. В первом случае пар распространяется вверх и от поверхности снега, а во втором – к нему.

Турбулентный перенос

Когда ветер слабый, над поверхностью снега имеет место лишь незначительный турбулентный перенос. Так происходит потому, что охлаждение, вызванное сублимацией, формирует стабильный холодный слой непосредственно над поверхностью снега. Без ветра этот стабильный холодный слой сохраняется даже если температура воздуха значительно выше 0 °C. Этот эффект наиболее явно выражен на затененных участках.

Теплообмен между снегом и атмосферой при слабом ветре

Усиление ветра над поверхностью снега приводит к появлению турбулентности. В результате охлажденный в процессе сублимации воздух над поверхностью снега смешивается с более теплыми воздушными массами сверху, тем самым значительнее повышая температуру у поверхности снежного покрова. Если упругость водяного пара в атмосфере увеличивается с высотой, как уже упоминалось ранее, то этот процесс усиливается, поскольку жидкость преимущественно поглощается снежным покровом. Активный турбулентный перенос теплого влажного воздуха доминирует в процессе теплообмена в пасмурные дни и на затененных участках. Для чрезвычайно интенсивного таяния снега необходим сильный ветер при температуре и точке росы выше 0 ℃.

Теплообмен между снегом и атмосферой при ветре и высокой влажности

Адвекция

Условия, когда дождь выпадает непосредственно на снег, часто рассматриваются прогнозистами, обеспокоенными быстрым таянием снега, как «наихудший сценарий». Тем не менее, дождь, выпадающий на поверхность снега, не всегда приводит к быстрому, или хотя бы заметному, повышению его температуры. Давайте представим ситуацию, когда дождь с температурой 10°С выпадает с интенсивностью 10 мм в сутки. Этот дождь достаточно теплый для того, чтобы не замерзать при просачивании через снежный покров. Но пока дождь просачивается через него, он передает небольшое количество тепла снегу.

Жидкие осадки, выпадающие на снежный покров, не замерзают, а передают небольшое количество тепла остальной толще снежного покрова.

Тепло, принесенное этими теплыми осадками, составит приблизительно 420 кДж м-2 в день. Это составляет около 5 Вт м-2, что, по крайней мере, на порядок меньше, чем величина солнечной энергии, поглощаемой в солнечный зимний день при небольшом угле падения солнечных лучей и свежевыпавшем снеге.

Теперь давайте представим ситуацию, когда выпадает холодный дождь с температурой 0–1°С. По мере просачивания в снежный покров этот холодный дождь отдает свое тепло снегу и начинает замерзать, образуя скопления льда.

Дождь, выпавший на снежный покров, начинает замерзать и, при изменении агрегатного состояния, передает ему большое количество тепла.

Ответьте на следующий вопрос, чтобы узнать, как такое образование льда повлияет на возможное таяние снега.

Вопрос

Проверьте, верно ли вы поняли: адвекция.

Температура снежного покрова будет _____ под влиянием этого холодного дождя, когда он начинает замерзать. (Выберите лучший ответ)

Осадки, выпавшие на снежный покров, начинают замерзать, и при изменении агрегатного состояния передают ему большое количество тепла.

Правильный ответ – а.

Когда начинает образовываться лед, скрытое тепло высвобождается и распространяется в толщу снежного покрова, тем самым повышая его общую температуру.

Выберите.

На сколько увеличится температура снежной толщи после этого холодного дождя? На этот раз эти же 10 мм осадков при температуре 0 °C замерзают и высвобождают скрытое тепло по мере того, как они просачиваются в снежную толщу. Давайте предположим, что дождь равномерно распределен на участке снега глубиной 1 метр с плотностью 340 кг м-3 и начальной температурой -5 °C. В ходе замерзания дождя в снежный покров выделится 3350 кДж тепла, что приведет к повышению средней температуры снежного покрова с -5 °С до 0 °C!

Основным выводом из приведенных выше примеров является то, что дождь сам по себе, возможно, и не является основной причиной таяния снега, но если он замерзает в снегу, то играет важную роль в «созревании» снега и делает его более склонным к таянию.

Итак, какова же зависимость между количеством дождя, который замерзает в снежном покрове, и повышением температуры, вызванным этим процессом ? На приведенном ниже графике показаны зависимости между количеством дождя, который замерзает в снежном покрове, и повышением температуры, вызванным этим процессом, для четырех различных отношений снег–вода, изменяющихся от 2:1 для плотного снега, до 10:1 для более «пушистого». Для существенного повышения температуры плотного снега требуется гораздо больше осадков. Например, давайте определим, какое количество осадков вызвало бы повышение температуры «пушистого» снега при SLR 10:1 на 4 °C.

Влияние, оказываемое осадками на температуру снежного покрова при выпадении и последующем замерзании. Для снега разной плотности и разного количества осадков.

Восстановим перпендикуляр вверх от точки 4 °C до пересечения с линией SLR 10:1, а затем найдем соответствующее данной точке количество осадков на вертикальной оси. Мы видим, что такое повышение температуры может быть вызвано примерно 2 мм осадков.

Вопрос

Проверьте, верно ли вы поняли: адвекция 2

Используя тот же график выше, определите, какое количество осадков может вызвать повышение температуры более плотного снега на 4 °C при SLR 2:1. (Выберите лучший ответ)

Правильный ответ – г.

Влияние, оказываемое осадками на температуру снежного покрова при выпадении и последующем замерзании. Для снега разной плотности и разного количества осадков.
Выберите.

Таким образом, снежный покров может получать или терять тепло при различных видах теплообмена, рассмотренных выше. Если речь идет о таянии снега, то наибольшее «созревание» и/или таяние снега, как правило, имеет место в относительно теплые, влажные (вероятно, облачные) и ветреные дни.

Течение воды и снежный покров

Поток воды, движущийся по лесному участку, покрытому снегом.

Талая вода может перемещаться в снежном покрове с разной скоростью, от 2 см/мин до 60 см/мин. Ее скорость зависит от нескольких факторов, к которым относятся: внутренняя структура снежного покрова, состояние снежного покрова до поступления в него этой воды, и количество воды на поверхности снега.

Концептуальное изображение таяния кристаллов, в процессе которого тонкая пленка воды покрывает их внешние границы так, что незначительное количество воды может стекать вниз. Со временем тонкая пленка становится достаточно толстой, и постепенно заполняет все поры, в результате вода может свободно и быстро стекать вниз.

Когда температура повышается до температуры плавления, каждый кристаллик снега окружен тонкой пленкой воды. Эта пленка позволяет дополнительному количеству талой воды просочиться внутрь. Как только пространства между частицами снега заполнятся водой, может возникнуть ламинарный поток, который обеспечивает быстрое просачивание воды в снежный покров.

Исследования движения окрашенной жидкости в толще снега показывают, что вода движется через снежный покров по таким доступным путям, как макропоры. Эти макропоры могут быть как горизонтальными, так и вертикальными. Горизонтальные пути, как правило, образуются, когда непроницаемые линзы льда вынуждают воду либо скапливаться, либо двигаться горизонтально, пока она не найдет другой, вертикальной путь просочиться вглубь снежной толщи.

Фото снежной толщи, окрашенной красным, чтобы продемонстрировать то, как вода движется через нее. Красные горизонтальные участки показывают места, где сформировались линзы льда. Длинные, преимущественно вертикальные участки красного цвета демонстрируют преобладающие пути продвижения потока.

Измерения, выполненные в Нивот-Ридж, штат Колорадо, США , в мае 1995 года, количественно показывают, как талая вода может перемещаться через толщу снежного покрова.

График снеготаяния поверхности снежного покрова и водоотдачи талой воды, стекающей из его нижней  части, Нивот-Ридж, Колорадо, США, май 1995 г.

В начале мая происходило таяние поверхности снежного покрова (красная линия), но водоотдача из нижней его части не наблюдалась (синяя линия). Это объясняется тем, что вода задерживалась в снежном покрове, а иногда и замерзала там повторно. С течением времени вода все же начинает появляться на поверхности грунта в нижней части снежного покрова. Примерно к концу месяца произошло значительное таяние снега, и почти вся талая вода смогла просочиться через снежный покров сверху вниз на поверхность грунта. Мы видим, что к 149 дню объемы снеготаяния и водоотдачи практически равны, а ход этих процессов идентичен.

Что происходит с талой водой? Влияние свойств поверхности

Дальнейшая судьба талой воды, после того, как она просочилась через снежный покров и достигла подстилаюшей поверхности, определяется ее особенностями. Их важно учитывать при прогнозировании стока и возможного наводнения.

Если грунт не проморожен и не насыщен водой, то он способен поглощать талую воду довольно быстро, поскольку ее объем меньше, чем инфильтрационная способность почвы. В этом случае талая вода будет вести себя как обычные осадки.

Если, просочившись через снежный покров, вода попадет на мерзлый грунт, существует вероятность того, что она будет скапливаться и, возможно, замерзнет на его поверхности, препятствуя дальнейшему проникновению воды в грунт на этом участке. В случае быстрого таяния снега это может привести к значительному наводнению.

Фотография показывает последствие замерзания талой воды на поверхности земли, известное как базальный лед.

Фотография территории скопления талых вод и базального льда.

Поверхности со значительным уклоном могут вызвать дополнительные проблемы. Пористое пространство в почве вниз по склону постепенно засоряется продуктами эрозии, обусловленной воздействием талой воды, просачивающейся не только непосредственно сверху, но и талой воды, стекающей по склону. При ее движении вниз по склону под снежным покровом формируется больший объем стока, что, в конечном счете, может разрушить снежный покров снизу, как показано на рисунке ниже.

Концептуальная диаграмма: вода от снеготаяния образует базальный поток, который увеличивается в объеме во время движения вниз по склону.

Уклон поверхности является лишь одним из многих факторов, которые необходимо учитывать при изучении того, как поверхность будет поглощать и направлять сток талых вод. Другие типичные факторы, определяющие процесс осадки–сток, рассмотрены в модуле Процессы стока: международная версия и должны учитываться при анализе снеготаяния и дальнейшей судьбы образовавшейся при этом воды.

Краткое содержание

Распределение снега

  • Количество снега, накапливающегося на поверхности земли в лесной зоне, регулируется двумя основными факторами.
  • Растительность способна влиять на снегонакопление, изменяя силу ветра и процесс сублимации.
    • Снег, который непосредственно задерживается пологом леса, больше подвержен влиянию ветра, что, в свою очередь, делает его более подверженным сублимации.
    • Участки высокой растительности снижают скорость ветра, формирую значительные накопления снега с подветренной стороны деревьев и на открытых участках леса (на полянах).
    • Если горизонтальные размеры открытого пространства между деревьями значительно превышают высоту окружающих его деревьев, то на нем наблюдается выдувание снега.
  • На открытых участках, которые подвергаются воздействию более сильных ветров, например, на плоских участках поверхности, на участках с нехваткой растительности, горных хребтах или вершинах холмов, наблюдается выдувание снега и меньшее снегонакопление.

Характеристики снежного покрова

  • Свежевыпавший снег обычно состоит из нетронутых кристаллов и большого количества воздуха между ними. Чем старше снег, тем более округлыми становятся его кристаллы в результате таяния, сублимации или ветрового переноса. Это приводит к оседанию снега и увеличению его плотности.
  • Толщина слоя воды, образовавшегося при полном таянии снега на горизонтальной поверхности, называется водным эквивалентом снега или SWE.
  • Соотношение снег–вода или SLR – это эквивалент SWE, выраженный как отношение высоты снежного покрова к толщине слоя жидкости, получаемой в результате таяния.
  • SLR и SWE являются показателями плотности снежного покрова. Значение SLR может изменяться от 20:1 для свежего снега, выпавшего при температуре ниже температуры замерзания (ниже 0 °С), до 2:1 для снега, который выпал достаточно давно, подвергся ветровому воздействию, а его температура близка к 0 °С.
  • Температура снежного покрова различна в нижних и верхних его слоях.
    • Температура нижней части снежного покрова обычно относительно высокая, благодаря контакту с землей.
    • Температура верхней части снежного покрова низкая в ночное время и выше в дневное, хотя, при наличии холодных воздушных масс, она все равно может быть значительно ниже температуры нижних слоев снежного покрова.
  • Существуют два основных типа метаморфизма снега: метаморфизм сухого снега и метаморфизм таяния–замерзания.
    • В случае метаморфизма сухого снега, в снежном покрове не содержится вода в жидком виде и температура обычно ниже нуля. SWE может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от условий.
    • При метаморфизме таяния–замерзания температура примерно равна температуре замерзания и в снеге присутствует некоторое количество жидкой воды. В результате таяния и повторного замерзания значения SWE значительно повышаются.

Процессы теплообмена

Тепловой баланс снежного покрова и окружающей его среды в основном определяется следующими параметрами: приходящая и отраженная солнечная радиация, приходящая и отраженная длинноволновая радиация, турбулентный перенос скрытого и явного тепла, теплопроводность почвы и адвективное тепло во время дождя.

  • Отражательная способность поверхности снега (альбедо) уменьшается по мере старения снежного покрова, приводя к тому, что со временем он поглощает значительно больше солнечной радиации.
  • Скрытое (латентное) тепло – это энергия, обмен которой с окружающей средой происходит в случае изменения агрегатного состояния воды.
    • Скрытая теплота сублимации примерно в восемь раз больше скрытой теплоты плавления.
  • Упругость водяного пара в атмосфере над снежным покровом может существенно влиять на величину сублимации.
    • Если упругость водяного пара уменьшается с увеличением высоты, то снег сублимирует и теряет скрытое тепло.
    • Если упругость водяного пара увеличивается с увеличением высоты, то влага из атмосферы будет оседать на поверхности снега, и он будет получать дополнительное скрытое тепло.
    • Для значительного повышения температуры снежного покрова за счет осаждения влаги и последующего освобождения скрытого тепла, как правило, требуется достаточно сильный ветер, который будет вызывать турбулентный перенос.
  • Когда ветер незначителен, то наблюдается лишь минимальный турбулентный перенос, и воздух, охлажденный при сублимации с поверхности снега, остается над ней.
  • Сильные ветры приводят к появлению турбулентного переноса, и охлажденный в результате сублимации воздух над поверхностью снега смешивается с более теплыми воздушными массами сверху. Это может привести к началу таяния, особенно если ветер достаточно сильный и упругость водяного пара в атмосфере возрастает с увеличением высоты.
  • Дождь, выпадающий на снежный покров, будет передавать ему часть своего тепла. Количество передаваемого тепла зависит от температуры дождя и любого происходящего изменения агрегатного состояния.
    • Дождь, достаточно теплый для того, чтобы не замерзать по мере просачивания сквозь снежный покров, передает ему лишь небольшое количество тепла.
    • Дождь, достаточно холодный для того, чтобы замерзнуть по мере просачивания через снежный покров, будет передавать ему значительно больше скрытого тепла, которое будет выделяться при замерзании дождя.
    • Количество тепла, которое выделяется по мере замерзания дождя в снежном покрове, зависит от начального значения SLR или плотности снежного покрова.

Течение воды и снежный покров

  • Вода наиболее эффективно просачивается через снежный покров в случае, если поры между частицами снега заполнены водой.
  • Предпочтительные пути продвижения жидкости в снежном покрове – макропоры – образуются как горизонтально, так и вертикально.
    • Горизонтальные пути, как правило, образуются в случае, если непроницаемые линзы льда вынуждают воду обтекать их.
  • Зачастую существует задержка между началом таяния снежного покрова и водоотдачей талых вод в его нижней части. Эта задержка может составлять несколько дней и более, в зависимости от сезона.

Что происходит с талой водой?

  • Если почва не проморожена и не водонасыщена, то талая вода будет впитываться в почву до тех пор, пока скорость таяния снега не превысит ее инфильтрационную способность.
  • Если почва проморожена, то инфильтрация талых вод затруднена. Это может привести к накоплению талой воды на земле и ее возможному повторному замерзанию. В случае достаточно быстрого снеготаяния может возникнуть наводнение.
  • Под склонами холмов или иных поверхностей с уклоном будет скапливаться значительно больше талой воды.

Разработчики

Изображения, на которые распространяются действия лицензии Creative Commons Noncommercial Share Alike, представлены в разделе Галерея.

Спонсоры COMET

Спонсор программы COMET® – Национальная метеорологическая служба США, Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы, при дополнительном финансировании:

  • European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT)
  • Meteorological Service of Canada (MSC)
  • NOAA National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
  • Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC)

Участники проекта

Руководитель проекта, педагогический дизайн и мультимедиа

  • Andrea Smith — UCAR/COMET

Главный научный консультант

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET

Научный консультант

  • Claudio Caponi — WMO

Графический дизайн и интерфейс

  • Brannan McGill — UCAR/COMET
  • и
  • Steve Deyo — UCAR/COMET

Руководитель проекта

  • Dr. Patrick Parrish — UCAR/COMET

Создатели курса «Общая гидрология»

Руководитель проекта, педагогический дизайн

  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Главный научный консультант

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET
  • Dr. Richard Koehler — UCAR/COMET

Мультимедиа

  • Dan Riter — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Аудио оформление

  • Seth Lamos — UCAR/COMET

Озвучка

  • Dr. Richard Koehler — UCAR/COMET

Графический дизайн и интерфейс

  • Steve Deyo — UCAR/COMET
  • Heidi Godsil — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Тестирование программного обеспечения и контроль качества

  • Michael Smith — UCAR/COMET
  • Linda Korsgaard — UCAR/COMET

Согласование авторских прав

  • Michael Smith — UCAR/COMET

HTML-интеграция 2020 COMET

  • Tim Alberta - руководитель проекта
  • Dolores Kiessling — руководитель команды
  • Steve Deyo — художник
  • Gary Pacheco — ведущий веб-разработчик
  • David Russi — перевод
  • Gretchen Throop Williams — веб-разработчик
  • Tyler Winstead — веб-разработчик

Перевод на русский язык

  • Larissa Timofeeva - Лариса Тимофеева, канд. географ. наук, РГГМУ, Санкт-Петербург, Россия
  • Zinaida Timofeeva - Зинаида Тимофеева

Научный редактор текста на русском языке

  • Larissa Timofeeva - Лариса Тимофеева, канд. географ. наук, РГГМУ, Санкт-Петербург, Россия

Команда COMET, весна 2010 г.

Директор

  • Dr. Timothy Spangler

Исполнительный директор

  • Dr. Joe Lamos

Администрация

  • Elizabeth Lessard - менеджер по административным и бизнес вопросам
  • Lorrie Alberta
  • Michelle Harrison
  • Hildy Kane
  • Ellen Martinez

Программирование и тех-поддержка

  • Tim Alberta - руководитель команды
  • Bob Bubon
  • James Hamm
  • Ken Kim
  • Mark Mulholland
  • Victor Taberski (студент)
  • Christopher Weber (студент)
  • Malte Winkler

Разработка образовательного контента

  • Dr. Patrick Parrish - руководитель проекта
  • Dr. Alan Bol
  • Maria Frostic
  • Lon Goldstein
  • Bryan Guarente
  • Dr. Vickie Johnson
  • Tsvetomir Ross-Lazarov
  • Marianne Weingroff

Команда Медиапродюссирования

  • Bruce Muller - руководитель команды
  • Steve Deyo
  • Seth Lamos
  • Brannan McGill
  • Dan Riter
  • Carl Whitehurst

Метеорологи и научные сотрудники

  • Dr. Greg Byrd - старший руководитель проекта
  • Wendy Schreiber-Abshire - старший руководитель проекта
  • Dr. William Bua
  • Patrick Dills
  • Dr. Stephen Jascourt
  • Matthew Kelsch
  • Dolores Kiessling
  • Dr. Cody Kirkpatrick
  • Dr. Arlene Laing
  • Dave Linder
  • Dr. Elizabeth Mulvihill Page
  • Amy Stevermer
  • Warren Rodie

Автор научного текста

  • Jennifer Frazer

Перевод на испанский

  • David Russi

NOAA/National Weather Service - отдел по подготовке прогнозистов

  • Anthony Mostek - директор филиала
  • Dr. Richard Koehler - руководитель программы гидрологической подготовки
  • Brian Motta, программа подготовки IFPS
  • Dr. Robert Rozumalski, координатор отдела научных и учебных ресурсов SOO (SOO/STRC)
  • Ross Van Til - метеоролог
  • Shannon White - программа подготовки AWIPS

Приглашенные метеорологи, Метеорологическая служба Канады

  • Brad Snyder

Наверх