Разность между количеством осадков и испарением влаги. Испарение и испаряемость. Ветры и их происхождение

Водяной пар поступает в атмосферу посредством испарения с подстилающей поверхности и транспирации растениями. Испарение зависит от дефицита влажности и скорости ветра. На испарение тратится много тепла, так на испарение 1 г воды требуется 600 кал.

Испарение с океана на всех широтах значительно больше, чем испарение с суши. Испарение в океане может достигать величины 3000 мм в год, тогда как на суше максимум 1000 мм.

Различия в распределении испарения по широтам определяются радиационным балансом и увлажнением территории. В общем, в направлении от экватора к полюсам в соответствии с понижением температуры испарение уменьшается.

В случае отсутствия достаточного количества влаги на испаряющей поверхности испарение не может быть большим даже при высокой температуре и большом дефиците влажности. Возможное испарение, называемое испаряемость, в этом случае велико.

Над водной поверхностью испарение и испаряемость равны по величине, над сушей испарение может быть значительно меньше испаряемости. Испаряемость характеризует величину возможного испарения с суши при достаточном увлажнении.

Средние месячные значения затраты тепла на испарение (и турбулентного теплообмена с атмосферой) на океанах рассчитаны по материалам многолетних судовых наблюдений на акваториях Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Рассматривая особенности распределения средней затраты тепла на испарение на суше за год, можно отметить, что диапазон изменения ее значений составляет около 110 Вт/м2. В районах достаточного увлажнения средняя годовая затрата тепла на испа­рение возрастает вместе с увеличением радиационного баланса от высоких широт к экватору, изменяясь от значений, меньших 10 Вт/м2 на северных побережьях континентов, до значений более 80 Вт/м2 во влажных экваториальных лесах Южной Америки, Африки и Малайского архипелага. В районах недостаточного увлажнения величина затраты тепла на испарение определяется засушливостью климата, уменьшаясь с увеличением засушливости. Наименьшие значения средней годовой затраты тепла на испаре­ние отмечаются в тропических пустынях, где они составляют всего несколько Вт/м2.

Годовой ход затраты тепла на испарение также определяется ресурсами тепловой энергии и воды. Во внетропических широтах с условиями достаточного увлажнения наибольшие значения затраты тепла на испарение в соответствии с годовым ходом радиа­ционного баланса имеют место летом, достигая 80-100 Вт/м2. Зимой затрата тепла на испарение мала. В районах недостаточ­ного увлажнения максимум затраты тепла на испарение также обычно наблюдается во время теплого периода, однако время достижения максимума существенно зависит от режима увлажнения.

В тропических широтах с влажным климатом затрата тепла на испарение велика в течение всего года и составляет около 80 Вт/м2. В районах с сезонами пониженных осадков отмечается некоторое уменьшение затраты тепла на испарение, однако амп­литуда ее годового хода сравнительно невелика. В областях с хо­рошо выраженным сухим периодом наибольшие значения затраты тепла на испарение отмечаются в конце влажного периода, наи­меньшие - в конце сухого.

В целом для суши земного шара (включая Антарктиду) сред­няя за год затрата тепла на испарение составляет 38 Вт/м2.

Распределение средних годовых значений затраты тепла на ис­парение на океанах в общем сходно с распределением радиацион­ного баланса. Изменение средней затраты тепла на испарение довольно велико: от значений, больших 160 Вт/м2 в тропических широтах, до значений около 40 Вт/м2 у границы льдов. В экваториальных широтах средняя затрата тепла на испарение несколько понижена по сравнению с более высокими широтами (меньше 130 Вт/м2), что является следствием увеличения облачности и влажности.

Помимо радиационного тепла, расходуемого на испарение с океанов, в ряде районов на испарение затрачивается также тепло, переносимое течениями. Поэтому зональный характер рас­пределения затраты тепла на испарение нарушается заметными отклонениями в районах действия теплых и холодных течений.

Средние годовые величины затраты тепла на испарение с оке­анов зависят в основном от величин для осенне-зимнего периода. Распределение затраты тепла на испарение в зимние месяцы ана­логично годовому распределению. В это время усиливается влия­ние теплых течений, в связи с чем отчетливо проявляются особен­ности отдельных океанов: затрата тепла на испарение с поверх­ности Северной Атлантики в средних широтах вдвое больше, чем в тех же широтах Тихого океана. Самые низкие значения затраты тепла на испарение отмечаются в средних широтах южного полушария в Атлантическом и Индийском океанах. В эти районы со сравнительно невысокими температурами воды из низких широт поступают более теплые воздушные массы, что уменьшает затраты тепла на испарение.

При переходе к лету влияние теплых течений на величину за­траты тепла на испарение ослабевает из-за уменьшения энерге­тических ресурсов течений. Поскольку в летние месяцы происходит снижение средних скоростей ветра и ослабление контраста темпе­ратуры вода-воздух, расход тепла на испарение заметно падает. Вместе с этим уменьшается различие в значениях затраты тепла на испарение с поверхности отдельных океанов.

Гл а в а 8

Вода в атмосфере

Испарение и испаряемость

Вода, входящая в состав воздуха, находится в нем в газообразном, жидком и твердом состоянии. Она попадает в воздух за счет испарения с поверхности водоемов и суши (физическое испарение), а также вследствие транспирации (испарение растениями), кото­рая является физико-биологическим процес­сом. Приземные слои воздуха, обогащенные

Рис. 37. Средние годовые значения испарения с подсти­лающей поверхности (мм/год)

водяным паром, становятся легче и поднима­ются вверх. Вследствие адиабатического по­нижения температуры поднимающегося возду­ха содержание водяного пара в нем, в конце концов, становится предельно возможным. Происходит конденсация, или сублимация, во­дяного пара, образуются облака, а из них - осадки, выпадающие на землю. Так соверша­ется круговорот воды. Водяной пар в атмо­сфере обновляется в среднем примерно каждые восемь суток. Важным звеном круговорота во­ды является испарение, которое заключается в переходе воды из жидкого или твердого аг­регатного состояния (возгонка) в газообраз­ное и поступлении невидимого водяного пара в воздух.

Испарение показывает фактическое коли­чество испаряющейся воды в отличие от ис-

1 Влажный воздух немного легче сухого, так как он менее плотный. Например, насыщенный водяным паром воздух при температуре 0° и давлении 1000 мб менее плотен, чем сухой, - на 3 г/м (0,25%). При более вы­сокой температуре и соответственно большем влагосодержании эта разница увеличивается.

паряемости - максимально возможного ис­парения, не ограниченного запасами влаги. По­этому над океанами испарение практически равно испаряемости. Интенсивностью или скоростью испарения называется количест­во воды в граммах, испаряющееся с 1 см по­верхности в секунду (V=r/см2 в с). Измере­ние и вычисление испарения - трудная за­дача. Поэтому на практике испарение учитывают косвенным способом - по вели­чине слоя воды (в мм), испарившейся за бо­лее длительные промежутки времени (сутки месяц). Слой воды в 1 мм с площади 1 м равен массе воды 1 кг. Интенсивность испа­рения с водной поверхности зависит от ряда факторов: 1) от температуры испаряющей по­верхности: чем она выше, тем больше ско­рость движения молекул и большее их число отрывается от поверхности и попадает в воз­дух; 2) от ветра: чем больше его скорость, тем интенсивнее испарение, так как ветер от­носит насыщенный влагой воздух и приносит более сухой; 3) от дефицита влажности: чем она больше, тем интенсивнее испарение; 4) от давления: чем оно больше, тем меньше испарение, так как молекулам воды труднее оторваться от испаряющей поверхности.

Рассматривая испарение с поверхности поч­вы, надо учитывать такие ее физические свой­ства, как цвет (темные почвы из-за большо­го нагрева испаряют больше воды), механи­ческий состав (у суглинистых почв выше, чем у супесчаных, водоподъемная способность и интенсивность испарения), влажность (чем почва суше, тем слабее испарение). Важны и такие показатели, как уровень грунтовых вод (чем он выше, тем больше испарение), рель­еф (на возвышенных местах воздух подвиж­нее, чем в низинах), характер поверхности (шероховатая по сравнению с гладкой обла­дает большей испаряющей площадью), расти­тельность, которая уменьшает испарение с почвы. Однако растения сами испаряют мно­го воды, забирая ее из почвы с помощью кор­невой системы. Поэтому в целом влияние рас­тительности многообразное и сложное.

На испарение затрачивается тепло, в ре­зультате чего температура испаряющей по­верхности понижается. Это имеет большое значение для растений, особенно в экватори­ально-тропических широтах, где испарение уменьшает их перегрев. Южное океаническое полушарие холоднее северного отчасти по этой же причине.

Суточный и годовой ход испарения тесно связан с температурой воздуха. Поэтому мак­симум испарения в течение суток наблюдает-

ся около полудня и хорошо выражен лишь в теплое время года. В годовом ходе испарения максимум приходится на самый теплый месяц, минимум - на холодный. В географическом распределении испарения и испаряемости, зависящих прежде всего от температуры и запасов воды, наблюдается зональность (рис. 37).

В экваториальной зоне испарение и испа­ряемость над океаном и сушей почти одина­ковы и составляют около 1000 мм в год.

В тропических широтах их среднегодовые значения максимальные. Но наибольшие значения испарения - до 3000 мм отмеча­ются над теплыми течениями, а испаряемость 3000 мм - в тропических пустынях Сахары, Аравии, Австралии при фактическом испаре­нии около 100 мм.

В умеренных широтах над материками Евразии и Северной Америки испарение меньше и постепенно уменьшается с юга на север из-за снижения температур и в глубь материков ввиду уменьшения влагозапасов в почве (в пустынях до 100 мм). Испаряемость в пустынях, наоборот, максимальная - до 1500 мм/год.

В полярных широтах испарение и испаря­емость малы - 100 - 200 мм и одинаковы над морскими льдами Арктики и над ледника­ми суши.

Важнейшим компонентом водного баланса является испарение. Проблема получения климатически достоверной информации об испарении стоит гораздо острее, чем в отношении осадков. Подавляющая часть известных данных базируется на расчетных методах. Расчеты более-менее надежны над водной поверхностью, где можно принять испарение за испаряемость и вычислить это значение. Над сушей такой подход невозможен, поэтому на редкой сети производится непосредственное измерение испарения, однако пространственное климатическое обобщение этих данных затруднительно (Кислов А.В., 2011).

На рис. 3.5 и в табл. 3.3 приводятся рассчитанные годовые суммы испарения с подстилающей поверхности, из которых следует, что испарение с океанов значительно превышает испарение с суши. На большей части акватории Мирового океана в средних и низких широтах испарение изменяется от 600 до 2500 мм, а максимумы достигают 3000 мм. В полярных водах при наличии льдов испарение сравнительно невелико. На суше годовые суммы испарения составляют от 100–200 мм в полярных и пустынных районах (в Антарктиде еще меньше) до 800–1000 мм во влажных тропических и субтропических областях (юг Азии, бассейн р. Конго, юго-восток США, восточное побережье Австралии, острова Индонезии, Мадагаскар). Максимальные значения на суше – несколько больше 1000 мм (Хромов С.П., Петросянц М.А., 2001).

Рис. 3.5. Распределение средних годовых значений (мм/год) испарения с подстилающей поверхности (Атлас теплового баланса земного шара, 1963)

Таблица 3.3 . Годовые значения испарения (мм) для разных поясов Северного полушария (по данным Будыко М.И., 1980)

Таким образом, в среднем по широтным зонам в Северном полушарии наибольшие годовые значения испарения наблюдаются в тропиках. По мере продвижения от тропиков к полюсам испарение уменьшается. В экваториальной зоне и в высоких широтах средние годовые значения испарения над сушей и морем примерно одинаковые, но в тропиках и умеренных широтах испарение с поверхности моря больше, чем с поверхности суши. Аналогичное распределение испарения и в Южном полушарии, но в целом по полушарию испарение выше и составляет примерно 1250 мм, так, площадь, занятая океаном, в том полушарии больше (для Северного полушария среднее годовое значение испарения около 770 мм) (Климатология, 1989).

Для получения физически аргументированных представлений об особенностях пространственной картины испарения можно принять во внимание то, что турбулентный поток водяного пара определяется вертикальным градиентом влаги в приводном слое и развитостью турбулентного режима, который может быть параметрически охарактеризован величиной модуля вектора скорости ветра и критерием устойчивости стратификации атмосферы. С этой точки зрения становится понятно, например, почему вдоль стрежней теплых течений (Гольфстрима, Куросио, Бразильского, Восточно-Австралийского) испарение велико. Особенно оно увеличивается в зимнее время, когда на морские акватории попадает (из-за преобладания западного переноса) сухой холодный воздух, сформировавшийся во внетропических континентальных центрах высокого давления. При этом возрастает градиент удельной влажности и резко усиливается турбулентность из-за формирующейся неустойчивой температурной стратификации.

Рассмотренные положения позволяют объяснить существование больших осадков ВЗК с точки зрения баланса количества осадков (r) и величины испарения (Е) (рис. 3.6). Над обширными частями океанов воздушные массы пассатов накапливают влагу (здесь Е – r > 0) и «выливают» эту воду в ВЗК (где Е – r < 0). Облачные системы полярно-фронтовых циклонов формируются в тропическом влажном воздухе, так что переносимый ими в высокие широты и на континенты водяной пар (туда, где Е – r < 0) также собран с тропических и субтропических акваторий Мирового океана.

Баланс влаги «испарение минус осадки» позволяет понять основные географические закономерности формирования речного стока – наиболее полноводны те реки, бассейны которых находятся на территориях, где Е - r< 0. Характерными примерами являются реки Амазонка, Конго, Ганг, Брахмапутра и др. Причем полноводны не только названные великие реки, простирающиеся на тысячи километров, но и сравнительно небольшие по протяженности реки крупных островов, например Индонезии, круглогодично питаемые обильными осадками, количество которых существенно превышает испарение.

Для океана атмосферный баланс влаги «испарение минус осадки» представляет собой вертикальный поток «пресной воды». Он определяет в главных чертах пространственную неоднородность поля солености вод. В Тихом океане осадки превышают испарение, а в Атлантическом (и Индийском океане) испарение больше осадков и больше соленость приповерхностных слоев, причем ее пространственное распределение следует за распределением баланса «осадки минус испарение». Однако не все особенности поля солености определяются исключительно этим балансом. Так, распреснение вод локально возрастает вблизи устьев крупных рек (Амазонка, Конго, Ганг). В полярных широтах помимо названных факторов активную роль в процессе формирования поля солености играют пресные воды, образующиеся при таянии снежного и ледяного покрова (Кислов А.В., 2011).

Рис. 3.6. Атмосферный баланс влаги «испарение минус осадки» над океанами (см/год): 1 – изолинии >0 ; 2 – изолинии <0 (Кислов А.В., 2011)