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.

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:

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.
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.

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.

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.

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%.

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


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.

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.

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

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.
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.

Под электронным микроскопом эти различия видны значительно лучше:

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.

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.

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.

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.

Расчет отношения снег–вода (SLR)

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.
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.
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 ℃.

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.

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.

Ответьте на следующий вопрос, чтобы узнать, как такое образование льда повлияет на возможное таяние снега.
Проверьте, верно ли вы поняли: адвекция.
Температура снежного покрова будет _____ под влиянием этого холодного дождя, когда он начинает замерзать. (Выберите лучший ответ)

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

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.
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.

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.

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.

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.

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

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.
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.

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.

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.
Распределение снега
Характеристики снежного покрова
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.
Течение воды и снежный покров
Что происходит с талой водой?
Изображения, на которые распространяются действия лицензии Creative Commons Noncommercial Share Alike, представлены в разделе Галерея.
Спонсор программы COMET® – Национальная метеорологическая служба США, Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы, при дополнительном финансировании: