4.1. Температура воздуха
Температурный режим является одной из важнейших характеристик климата.
Естественный ход температуры воздуха, зависящий от широтного пояса, обычно нарушается под воздействием атмосферной циркуляции. Вследствие типичной для Ленинграда частой смены воздушных масс различного происхождения наблюдается значительная изменчивость во времени погодных условий, а следовательно, и температуры воздуха, т. е. частые ее отклонения от нормы.
Положение Ленинграда на побережье Финского залива и близость Балтийского моря придают его климату черты морского что проявляется, например, в сдвиге минимума температуры с января на февраль, в уменьшении годовой амплитуды температуры воздуха, под которой понимается разница средних температур самого теплого и холодного месяцев. Ленинграде годовая амплитуда температуры составляет 26 °C f тогда как на топ же широте в Восточной Сибири, где климат резко континентальный, она возрастает до 60 °С, а в типично морском климате Гебридских островов уменьшается до 8°С
Благодаря частому проникновению теплых воздушных масс. Атлантического океана зимы в Ленинграде, как правило, не суровые, и для широты 60° район Ленинграда является одним из самых теплых в СССР. Температура января здесь — 8°С, тогда как в Якутии — 40°С, а средняя температура января на 60°с. ш. для всего земного шара составляет — 16 °С. Летом в Ленинграде средняя температура на 3°С выше, чем для всей широты 60°.
Помимо естественных климатических факторов необходимо учитывать также эффект урбанизации, т. е. искажающее влияние самого города на естественный для данного района ход метеорологических величин, в том числе и температуры воздуха. Например, в холодный отопительный период температура воздуха повышается за счет тепла, выделяемого зданиями вследствие высокой теплопроводности ограждающих конструкций, а летом городские сооружения и дорожные покрытия, нагреваясь от солнца, значительно повышают температуру окружающего воздуха. Это особенно ощутимо вблизи южных стен зданий в вечерние часы.
За основные количественные характеристики температуры воздуха приняты средние многолетние (нормы) годовых, месячных и суточных значений и их экстремальные величины. Данные по температуре воздуха получены на основе показаний жидкостных термометров с международной стоградусной шкалой (°С), совпадающей со шкалой Цельсия, помешанных в психрометрической будке на уровне 2 м.
В Ленинграде в годовом ходе температуры воздуха (рис. 29) самым холодным месяцем является февраль (— 7,9 °С), а наиболее теплым — июль (17,8°С ). Если зимой в Ленинграде больше проявляются особенности морского климата, чем континентального, то летом для Ленинграда и его пригородов, наоборот, более характерны черты континентального климата, в котором годовой максимум температуры наблюдается в июле.
Несмотря на то что по многолетним данным февраль в Ленинграде считается самым холодным месяцем года, однако таким он бывает не ежегодно, а только в 34% лет наблюдений. Чаще, чем февраль, наиболее холодным оказывается январь - (47% лет), а в отдельные годы — декабрь (16% ) и даже март. (3 %). Такое распределение наиболее низкой месячной температуры свидетельствует о том, что именно февральские температуры, несмотря на меньшую повторяемость, в отдельные годы бывают очень низкими.
Первым месяцем со средней температурой ниже нуля является ноябрь, и переход через этот предел осуществляется в среднем 12 ноября. Длится период с отрицательными температурами обычно 143 дня — до 3 апреля. В ноябре в отдельные t дни средняя суточная температура понижается до — 10, —20 °С.
В декабре от солнца поступает ничтожно малое количество тепла вследствие малых его высот над горизонтом (днем около 10°), короткого дня и преобладания сплошной нижней облачности. Но несмотря па это в Ленинграде еще относительно тепло, средняя месячная температура в декабре составляет — 5,1°С. Это объясняется дополнительным к радиационному притоком тепла с Атлантического океана, повышающим температуру воздуха в отдельные дни до положительных значений. В январе морозы усиливаются и наблюдаются чаще. Средние температуры января и февраля в Ленинграде различаются мало и составляют соответственно — 7,7 н — 7,9 °С. В прибрежной полосе Финского залива в течение зимы средние месячные температуры незначительно отличаются от ленинградских, а с удалением от нее в глубь суши понижаются примерно на 1 °С.
Повышение температуры от февраля к марту связано с усилением ипсоляции и уменьшением облачности. Частые дневные оттепели с середины марта знаменуют начало весны. Но развитие потепления ранней весной осуществляется вяло, чему препятствуют нередкие длительные вторжения холодных масс воздуха из Арктики, а также значительные потерн тепла на таяние снега.Ют марта к апрелю происходит самый большой в году скачок средней месячной температуры воздуха (на 7,2°С) и она становится положительной (3,6°С). Этому благоприятствуют увеличение количества солнечного тепла и возрастающий прогрев почвы, освобождающейся от снежного покрова к началу апреля. Весной определяющую роль в формировании температурного режима приобретает радиационный фактор (по сравнению с адвективным в осенне-зимний период).
Начало лета совпадает с календарным (июнь), а конец смещается обычно на середину сентября. Повышение температуры воздуха происходит в среднем до 21 июля, а наиболее...теплыми... являются вторая и третья декады июля. В самом теплом месяце, (июле) средняя многолетняя месячная температура достигает 17,8 °С , превышая температуру июня и августа на 2 ... 3°С. Осеннее- понижение температуры особенно заметно от сентября к октябрю (на 6°С ), когда при ослабевающей инсоляции оно нередко усиливается холодной адвекцией? Повышение температуры от февраля к апрелю происходит несколько быстрее, чем ее понижение от октября к декабрю, с разницей в среднем на 1 °С.
Многолетние средние величины дают лишь общую характеристику климата, сглаживающую резко выраженные отклонения погоды в отдельные ходы. Но именно эти отклонения и представляют наибольший интерес в производственной деятельности человека и для народного хозяйства. Ниже рассматриваются особенности температурного режима в отдельные месяцы.
Насколько велики бывают отклонения средних месячных температур воздуха от средних многолетних, видно из табл. 26.
Как отрицательные, так и положительные отклонения от нормы особенно велики с ноября по март, где они в два-три раза превышают летние, что свидетельствует о значительной изменчивости во времени температуры воздуха в холодный период. В эти месяцы по величине отрицательные отклонения больше положительных, что обусловлено более мощными адвекциями холода по сравнению с адвекциями тепла. А в теплый период с апреля по октябрь при доминирующем переносе тепла положительные отклонения превышают отрицательные. В 70-е годы было несколько отдельных месяцев, выделившихся экстремально теплой погодой. Так, очень теплыми были февраль 1974 г., июль, август и декабрь 1972 г. Зимой эти аномалии связаны с мощными теплыми западными и юго-западными выносами, а летом — с устойчивыми южными и юго-восточными. В это же десятилетие экстремально холодным был октябрь 1976 г., когда в течение месяца преобладали антициклоны, формировавшиеся в холодных арктических массах воздуха над Гренландским морем и севером Скандинавии. Обращает на себя внимание, что включенные в табл. 26 наиболее холодные месяцы в половине случаев относятся к периоду до 1910 г., а наиболее теплые в девяти случаях к периоду позже 1930 г. Это также может считаться одним из признаков потепления климата.
Распределение средней месячной температуры близко к нормальному, поэтому с достаточным основанием можно полагать, что в 68'% лет наблюдений она будет отличаться от нормы не более чем на ±σ. В 95 % случаев все изменения находятся в пределах t ± 2σ , а возможные отклонения — практически в пределахt ± Зσ и только 0,3% случаев выходят за границы ± 3σ. Это значит, что в феврале, например, при средней температуре — 7,9 °С и σ = 3 ,7 ° С можно ожидать изменения средней месячной температуры от — 19,0 до 3,2 °С, а в июле от 22,6 до 13,0 °С (табл. 26).
В годовом ходе среднее квадратическое отклонение зимой примерно в два раза выше, чем летом. Следовательно, и раз мах изменений температуры воздуха зимой будет в’ два раза больше, чем летом. Наибольшие отклонения средних месячных температур от нормы, как н среднее квадратическое, отражают основные закономерности годового хода температуры воздуха.
Для характеристики температуры наиболее холодной части суток используется средняя минимальная температура воздуха, а наиболее теплой — средняя максимальная (см. табл. 16 приложения). Годовой ход их повторяет изменение средней месячной температуры воздуха, а разница между средней максимальной и средней минимальной температурой воздуха характеризует непериодическую суточную амплитуду. В мае, когда устанавливается ясная, маловетреная погода, она наибольшая и понижается до 4°С в ноябре, что связано с облачной и ветреной в это время погодой.
Абсолютные значения минимальной и максимальной температуры указывают на крайние ее значения, которые отмечались лишь один раз за многолетний период наблюдений (см. табл. 16 приложения).
Минимальные и максимальные температуры в Ленинграде большей частью несколько выше, чем в окрестностях, что подчеркивает аномальные температурные условия его как «острова тепла».
В Ленинграде средине минимальные температуры воздуха во все месяцы на 2... 4 °С ниже, а средние максимальные на столько же выше, чем средние месячные температуры (рис. 29). Наибольшие изменения средних минимальных (максимальных) температур от года к году отмечаются зимой. Средние квадратические отклонения минимальной температуры зимой почти в три раза превышают летние (см. табл. 16 приложения)
Самая низкая температура воздуха в Ленинграде за весь период наблюдений (абсолютный минимум) — 36 °С была в январе 1940 г., а в окрестностях (Белогорка) — 44 °С в декабре 1978 г.
Абсолютный максимум в городе и ряде пригородов, равный 34°С, был отмечен в жарком июле 1972 г. Таким образом, в Ленинграде абсолютная годовая амплитуда температуры составляет 70 °С.
Повторяемость абсолютных минимумов температуры в отдельные месяцы можно получить по обобщенным данным табл. 17 приложения. Зимой, например, минимальные температуры от — 15 д о — 20 °С и ниже наблюдаются почти ежегодно (80... 90 %) > а минимумы —30, — 33 °С и ниже встречаются один раз в 10... 20 лет. Летом с обеспеченностью 95 % бывают понижения температуры до 8... 10 °С и ниже и один раз в 10 лет до 1... 6 °С и ниже.
Распределение числа дней с минимальной и максимальной температурой в различных пределах приведено в табл. 18, 19 приложения. В январе и феврале минимальная температура — 30 °С и ниже отмечается примерно один раз в 5 лет, а с температурой — 35 °С и ниже только один раз в 100 лет. В самом теплом месяце июле минимумы могут опускаться до 5... 10°С примерно три раза в месяц. Максимальные температуры зимой при оттепелях нередко (до 6... 11 дней в месяце) наблюдаются в пределах 0,1... 5,0 °С, а в декабре 1953 г. отмечалось повышение температуры до 9°С. Летом в июне и августе в среднем может быть до 12... 14 дней с температурой выше 20°С, а в июле — 21 день. Повышение температуры до 30 °С и выше может быть в Ленинграде один раз в 5 лет в июне и в августе и примерно через год в июле. По данным рис. 30, где приведено распределение числа жарких дней (с температурой выше 25 °С), видно, что уже в конце мая возможны два—четыре таких дня обеспеченностью 10... 20%, а до пяти дней — не чаще, чем один раз в 20 лет (5 % обеспеченность).
В июне и августе количество жарких дней может увеличиться до 8... 10, но это случается один раз в 5... 10 лет. В самом теплом месяце июле один раз в 5 лет жарких дней может быть до 11 и с такой же вероятностью — не более двух. Больше всего таких дней наблюдалось в июле 1938 и 1972 гг.— по 21 дню.
Однако, нередко, помимо общих сведений о термическом режиме, необходимы те характеристики температуры, которые вытекают из запросов отдельных отраслей народного хозяйства и служат для решения узких прикладных задач. Это — данные о длительности безморозных периодов, о заморозках и оттепелях, о датах перехода средних суточных температур через различные пределы и целый ряд других климатических показателей. На некоторых из них, чаще всего используемых в практике, остановимся далее более подробно. При использовании сведений о температуре воздуха в народном хозяйстве часто необходимо знать, в течение какого времени сохраняются температуры выше или ниже заданного уровня. Особый интерес представляют оценки устойчивости и повторяемости низких температур зимой и прежде всего продолжительность устойчивых морозов.
За период с устойчивыми морозами принимается такой период, когда отрицательная температура во все сроки наблюдений удерживается непрерывно не менее одного месяца. Внутри морозного периода допускается два—три дня с оттепелью, но не ранее чем через десять дней после начала периода и не позднее чем за десять дней до его конца. В Ленинграде период устойчивых морозов в среднем составляет 94 дня, обычно он длится с 7 декабря по 10 марта (табл. -7 ) и, как правило не бывает непрерывным, его нарушают кратковременные оттепели. В пригородах Ленинграда, за исключением южного побережья Финского залива, обычно этот период более продолжителен.
Средняя непрерывная продотжительность морозных ..периодов составляет 7 дней. В связи 'со значительной изменчивостью погодных условии - особенно в первую половину зимы, наиболее вероятны морозы в течение только одного двух дней (табл. 28). Непрерывная морозная погода в течение 20 ... 30 дней может сохраняться в Ленинграде только 5% лет. Наиболее длительными - 87 дней подряд — были морозы в зиму 1892-93 г. Наибольшее число морозных (без оттепели) дней обычно наблюдается в январе и феврале по 23... 22 дня, несколько меньше их в декабре 19 дней, а в ноябре и марте соответственно 10 и 15 дней.
Дополняют характеристику морозного периода сведения о суммарной и максимальной непрерывной продолжительности температур, равных и ниже определенных пределов, которые помещены в табл. 20, 21 приложения. Из таблиц видно, что в январе, например, температура — 16°С и ниже бывает в среднем около 130 ч, а в холодные зимы до 420 ч. Но непрерывно такие температуры сохраняются сравнительно недолго, в среднем 20 ч, только в отдельные годы могут удерживаться до 14 суток подряд.
Другим показателем температурного режима в холодный период может служить число дней с температурой — 10 °С и ниже различной обеспеченности (рис. 31). Так, с вероятностью один раз в 2 0 лет такие температуры удерживаются всю вторую половину ноября и до 10 дней в конце марта, а в январе и феврале сохраняются почти весь месяц— 27 дней.
При проектировании системы отопления и в теплотехнических расчетах ограждающих конструкций широко применяются расчетные температуры отопительного периода. Отопительный период в Ленинграде начинается обычно 29 сентября и длится 219 дней (до 6 мая). Средняя температура этого периода составляет 2,2 С, а его наиболее холодных пятидневок—25 °С.
Устойчивый теплый период с положительными температурами начинается обычно в мае. В Ленинграде он продолжается в среднем 156 дней, от последнего заморозка 5 мая (табл. 29)
до первого заморозка 9 октября (табл. 30). Но, как и все погодные характеристики, эти данные колеблются в разные годы в широком диапазоне. Так, в 1968 г. безморозный период сохранялся лишь 113 дней, а в 1964 г. он длился 191 день. В окрестностях, как правило, этот период короче на 15... 25 дней.
В Ленинграде температура самого теплого месяца составляет 17,8 °С. Но как часто такая температура и выше ее наблюдается в отдельные месяцы и какова может быть непрерывная максимальная продолжительность ее, дают представление табл. 22, 23 приложения. В мае и сентябре температура 18°С и выше наблюдается всего лишь 65... 45 ч, в некоторые годы до 180 120 ч. Наиболее часто такая температура отмечается в июле — в среднем 330 ч, а в 1972 г. удерживалась 625 ч. На много реже повышается температура до 2 6 °С и выше. За период с мая по сентябрь она наблюдается только 60 ч, но в очень теплое лето 1972 г. сохранялась 305 ч.
В летние месяцы температура 18°С и выше иногда удерживается до пяти— шести суток подряд, но это случается очень редко. Непрерывная продолжительность температур более высоких градаций невелика.
Под оттепелью понимается кратковременное повышение температуры воздуха выше 0°С на фоне устойчивых морозов, а под заморозком — кратковременное понижение температуры воздуха ниже 0°С при преобладании положительных температур.
Оттепели являются одной из характерных особенностей холодного периода года. В начале и в середине зимы они, как правило, адвективного происхождения, а в конце (в марте) — чаще радиационного. Резкие перепады температуры от устойчивых морозов к оттепели и обратно считаются крайне отрицательным фактором, влияющим на прочность ограждающих конструкций. Конденсация влаги и последующее ее замерзание вызывают деформацию стен зданий типа «сжатие—растяжение». В Ленинграде оттепели — явление обычное (табл. 31). Зимой с оттепелью бывает в среднем от 12 дней в декабре до 6 дней в феврале. В ноябре и марте число их увеличивается за счет частого чередования периодов с положительными температурами и непродолжительными морозами.
Продолжительность оттепелей обычно невелика (табл. 32), особенно дневных, обусловленных инсоляцией. Поэтому почти в половине случаев они непрерывны только в течение одного - двух дней. Увеличенное количество кратковременных оттепелей в Ленинграде по сравнению с таким, например, пригородом, как Ломоносов, связано с отепляющим действием самого города. Наибольшая повторяемость длительных оттепелей бывает обычно в начале и в конце морозного периода.
Максимальные температуры воздуха при оттепелях (табл. 33) чаще всего бывают в пределах от 0,1 до 1,9°С. За весь период наблюдений в Ленинграде только один раз, в декабре 1953 г., во время оттепели температура воздуха поднималась до 9°С, в окрестностях до 5 ... 7°С.
Заморозки относятся к числу опасных явлений погоды, если они наступают весной в период вегетации. Они возникают в результате вторжения волн холода с севера и северо-востока. К тому же резкое похолодание усиливается ночыо вследствие значительных теплопотерь излучением при ясном небе и слабых ветрах или полном затишье. Следует различать заморозки в воздухе и на поверхности почвы. Почва выхолаживается быстрее, чем прилегающий к пен слой воздуха до уровня 2 м, поэтому на почве заморозки образуются раньше, они сильнее и продолжительнее, чем в воздухе. При слабых заморозках на почве, в воздухе температура может оставаться выше 0°С. Средняя дата последнего весеннего заморозка в Ленинграде, ИЦП — 5 мая, а самая ранняя и самая поздняя в отдельные годы колеблются весной в пределах более полутора месяцев (табл. 29). Первый заморозок осенью в среднем приходится па 9 октября, а период между его крайними датами составляет более двух месяцев. В окрестностях соответствующие даты весной запаздывают па 5 ... 17 диен по сравнению с городом, а осенью опережают их на 10 дней. Это обусловлено тем, что воздух в городе весной раньше прогревается и осенью тепло в городе дольше удерживается по сравнению с окрестностями (за исключением Ломоносова, расположенного в береговой полосе). Безморозный период в воздухе в среднем длится в Ленинграде 156 дней.
В первой декаде апреля вероятность ночных заморозков интенсивностью от 0 до —3 °С и ниже очень велика и соответственно колеблется от 100 до 85% (см. табл. 24 приложения). При этом средняя месячная температура воздуха в апреле уже положительна (3,0 °С), а переход средней суточной температуры воздуха через 0°С происходит в среднем 3 апреля. К третьей декаде апреля вероятность заморозков от 0 до —3°С и ниже уменьшается до 79... 27 % лет. В мае заморозки становятся значительно реже и слабее. Однако мощная адвекция холода может вызвать в ясные ночи даже в конце июня понижение температуры воздуха до 2°С и ниже (примерно один раз в 50 лет), при котором возможны заморозки на почве. Такие же понижения могут наблюдаться и в конце августа. Только в июле температура воздуха не опускается ниже 5°С, следовательно, нет и угрозы заморозков на почве. Слабые осенние заморозки учащаются во второй декаде сентября, а к третьей декаде октября их вероятность увеличивается до 52... 79 % лет. Заморозки в октябре, однако, менее часты и менее интенсивны, чем в апреле.
Суточный ход температуры воздуха и междусуточная изменчивость. Изменение температуры воздуха в течение суток называется суточным ходом (см. табл. 25 приложения). Характерными особенностями суточного хода являются, с одной стороны, момент наступления максимума и минимума температуры, а с другой — амплитуда колебания, представляющая собой разницу между наибольшей и наименьшей температурой за сутки, называемая суточной амплитудой.
В табл. 34 помещены две амплитуды суточного хода. Одна из них (первая строка) характеризует периодические изменения температуры воздуха, обусловленные радиационными факторами, и вычислена, как разница между средней многолетней температурой самого холодного ночного и самого теплого дневного часа. В период с ноября по январь, когда преобладает плотная, низкая облачность, колебания температуры воздуха в течение суток, как правило, невелики (0,6... 1,1 °С). С февраля в связи с увеличением притока солнечного тепла суточные амплитуды растут и к июню увеличиваются до 6,4 °С. Во второй строке табл. 34 приведены средние суточные амплитуды, полученные по ежедневным данным, как разница между максимальной и минимальной температурой за сутки (за период с 1900 г.). Здесь, кроме периодических изменений температуры, учтены и непериодические, связанные со сменой воздушных масс при прохождении фронтов. В первом случае в результате осреднения температуры за каждый час несистематические повышения и понижения температуры при адвекции, а отчасти и за счет радиационнных факторов, сглаживаются. Поэтому непериодическая амплитуда больше, чем периодическая в течение всего года.
В ясную тихую погоду суточные амплитуды увеличиваются до 13 °С и более, причем наибольшая повторяемость таких амплитуд отмечается в мае (15% дней), поэтому в этом месяце особенно велика опасность образования заморозков ночыо при довольно высоком уровне дневных температур. В табл. 34 приведены также крайние значения амплитуд.
В суточном ходе минимум температуры воздуха приходится на предрассветный час, следовательно, время его наступления сдвигается в течение года в зависимости от момента восхода солнца, а максимум ее всегда наступает в 14... 15 ч, т. е. через 1 ... 2 часа после истинного полдня.
Показателем колебаний температуры от одних суток к другим под влиянием адвекции холода или тепла служит междусуточная изменчивость (табл. 34). Она представляет собой абсолютную величину разности средних суточных температур между двумя соседними днями, поэтому суточный ход температуры в пей исключен. Наибольшие значения средней месячной междусуточной изменчивости температуры в январе—феврале (3,2... 3,1 °С) и наименьшие в августе (1,4 °С) согласуются с годовым ходом отклонений средних месячных температур от нормы (табл. 26). В районе Ленинграда, как и на всей территории Северо-Запада ЕТС, по данным исследования И. В. Бутьевой, повторяемость резкой междусуточной изменчивости температуры воздуха (более 6°С) составляет 10... 20% дней в месяце.
Для Ленинграда характерны случаи резких перепадов температуры, один из которых описан Т. В. Покровской [76]: «В день нового, 1966 г., температура резко упала, понизившись на 17°С по сравнению с последним днем старого года. Ударил 20-градусный мороз...». В декабре 1973 г. температура повысилась за сутки на 25 °С (от —23 °С 10 декабря до 2°С 11 декабря), а в январе 1976 г. понизилась на 25 °С за сутки (от 0°С 9 января до —2 5 °С 10 января). В перечисленных выше примерах учитывались экстремальные значения температуры. Как уже отмечалось, эти явления обусловлены внезапным мощным притоком теплых или холодных воздушных масс.
Значительный интерес представляют сведения о датах перехода средних суточных температур через 0, 5, 10 и 15°С и о продолжительности периода с температурой выше указанных пределов, а также о различной их обеспеченности (см. табл. 26, 27 приложения).
Обычно дату перехода температуры через 0°С весной и осенью принято считать за начало и конец теплого периода. Этот период длится в Ленинграде более семи месяцев, с 3 апреля по 12 ноября. Дату перехода через 5°С принимают за начало и конец вегетационного периода. Переход температуры через 10°С характеризует начало и конец активной вегетации для большинства растений, а через 15 °С — наиболее теплую часть лета. Как и другие характеристики, даты наступления температур подвержены большой изменчивости и в отдельные годы в сильной степени отличаются от средних дат.
Суммы средних суточных температур отражают ресурсы тепла, обусловленные радиационными факторами данного района (табл. 28 приложения). Суммы положительных температур используются в качестве показателей теплообеспеченности растений.
Дополнением к характеристикам температурного режима, приведенным выше, могут служить данные о ежедневных средних температурах воздуха (см. табл. 29 приложения). С помощью номограмм (рис. 32), которые получены для различных сезонов года, могут быть найдены значения температуры воздуха различной обеспеченности по дням. Входным параметром для них являются средние суточные температуры воздуха, указанные в табл. 29 приложения, или вычисленные за любой другой период.
4.2. Температура почвы
Температура почвы оказывает существенное влияние на формирование термического режима атмосферы. Данные о температуре почвы необходимы для решения многих прикладных задач: они используются в сельском хозяйстве, в строительстве, при эксплуатации дорог и подземных коммуникаций и т. д.
Тепловой режим почвы определяется притоком тепла и зависит от минералогического состава почвы, пористости и влажности, которые определяют ее теплоемкость и теплопроводность.
Основным источником тепла, поступающего в почву, является лучистая энергия солнца, которая усваивается поверхностным слоем. Это тепло передается в нижележащие слои, а также расходуется на нагревание воздуха и испарение воды.
Тот слой почвы, в котором обнаруживаются суточные и годовые колебания температуры в зависимости от притока солнечной радиации, носит название активного или деятельного слоя.
Рассмотрим вначале температурный режим поверхности почвы, а затем особенности распределения температур по глубинам.
Температура поверхности почвы. Под температурой поверхности почвы в метеорологии понимается температура ее верх него слоя (толщиной несколько миллиметров), свободного от растительного покрова, хорошо взрыхленного и не затеняемого от солнца, а в зимнее время при наличии снежного покрова — температура поверхности снега.
На температуру поверхности почвы, кроме указанных выше факторов, влияют местные условия: микрорельеф, экспозиция склонов, растительность и т. д.
Ленинград расположен на плоской моренной равнине, в основном на насыпном грунте. Приведенные ниже данные относятся к насыпному грунту, в состав которого входят пылеватый тонкозернистый песок, супесь с включением кирпичного щебня, битого стекла и прочее, так называемый культурный слой.
Распределение средних и экстремальных температур поверхности почвы по месяцам дано в табл. 30 приложения, а значения этих характеристик различной обеспеченности по месяцам — представителям сезонов — в табл. 31 приложения.
В среднем за год температура поверхности почвы равна 5 °С, это почти на 1 °С выше, чем температура воздуха. Превышения температуры поверхности почвы по сравнению с температурой воздуха сохраняются с апреля по сентябрь, при этом наибольшие различия, равные 2 ... 3°С, отмечаются в летние месяцы, когда прогрев почвы достигает наивысших значений. Самым теплым месяцем года является июль, когда средняя месячная температура почвы составляет 21°С. B июне и августе она на 3°С ниже. В дневные часы летом поверхность почвы нагревается до 31... 35 °С, т. е. она оказывается на 9 ... 15°С теплее воздуха. С вероятностью 10% (один раз в 10 лет) температура поверхности почвы может достигать в каждый из летних месяцев 48... 51 °С, а в рекордно жаркие дни, примерно один раз в 50 лет, 52°С. Такая температура была зафиксирована в июне 1968 г. и в июле 1972 г., а в июне 1977 г. температура достигала 53 °С.
В летние ночные часы поверхность почвы, благодаря непрерывной потере тепла за счет излучения, постепенно охлаждается и становится в среднем на 1... 2°С холоднее воздуха. Средняя минимальная температура поверхности почвы служит хорошим показателем для этого времени суток и составляет 10... 12°С. В отдельные тихие ясные ночи поверхность почвы охлаждается до — 3°С в июне и до 2°С в июле. Однако такие низкие для летнего периода температуры отмечаются очень редко, примерно один раз в 50 лет.
В холодный период года (ноябрь—март) температура поверхности почвы (снега) отрицательная и незначительно ниже температуры воздуха. Средние месячные значения ее изменяются от — 1°С’ в ноябре до —9°С в январе, феврале — самые холодные месяцы года. В течение суток температура, как правило, меняется мало. Так, в январе ночные температуры в среднем равны — 14°С, а дневные составляют —б°С.
Температура поверхности почвы в зимний период колеблется в больших пределах. Резкие похолодания обусловливают падение температуры даже в ноябре до —32 °С, а в январе и феврале до —42, —41 °С. В то же время в отдельные дни зимой при продолжительных оттепелях поверхность почвы прогревается днем до 5... 8°С, что случается, однако, очень редко.
Как и все метеорологические элементы, температура поверхности почвы в зависимости от погодных условий подвержена значительным изменениям во времени. Эти изменения наиболее существенны в зимние месяцы, о чем свидетельствуют крайние значения средней месячной температуры, приведенные в табл. 35. О степени изменчивости средней месячной температуры поверхности почвы позволяют судить и средине квадратические отклонения, которые представлены в табл. 36.
В переходное время года, весной и осенью, вследствие сильного излучения температура поверхности почвы в отдельных случаях ночыо или перед восходом солнца понижается до 0°С и ниже, т. е. может образоваться заморозок (утренник) на почве, в то время как воздух на высоте 2 м над почвой иногда остается теплее почвы на 5... 6°С. Такие заморозки называются радиационными, появлению их благоприятствует ясное небо и тихая погода. Но бывают заморозки и другого типа — адвективные, связанные с вторжением холодных масс воздуха арктического происхождения. При этих заморозках температура почвы и воздуха мало различаются между собой.
Заморозки на поверхности почвы — явление более частое по сравнению с заморозками в воздухе. Кроме того, заморозки на почве, как правило, бывают более интенсивными. Поздние весенние и ранние осенние заморозки приносят большой вред растениям .
В Ленинграде, по многолетним данным, весенние заморозки на поверхности почвы прекращаются 20 мая, т. е. на 15 дней позднее, чем в воздухе, а осенью начинаются 25 сентября — па 14 дней раньше, чем в воздухе. Таким образом, безморозный период на почве длится 127 дней, что почти на месяц меньше, чем в воздухе.
В отдельные годы продолжительность безморозного периода па почве, начало и окончание заморозков, в значительной степени варьируют. Так, в 1947 г. последний заморозок был отмечен 5 июня, а первый 4 сентября. Безморозный период в том году длился только 90 дней, а в следующем 1948 г. продолжительность его составила 153 дня; заморозки прекратились 30 апреля и наступили только 1 октября. В 1962 г. безморозный период длился всего 89 дней.
Благодаря утепляющему влиянию города и Финского залива, безморозный период на поверхности почвы в Ленинграде на 10... 20 дней больше, чем в удаленных от залива окрестностях, но на 5 ... 10 дней короче, чем в прибрежной зоне Финского залива. Следует учитывать, что эти различия обусловлены в какой-то мере и неоднородностью почв.
Суточный ход температуры поверхности почвы представляет собой периодическое колебание температуры с одним макмимумом около 13 ч и одним минимумом перед восходом солнца. Этот ход па почве выражен более резко, чем в воздухе (табл. 37).
Особенно велики суточные колебания температуры поверхности почвы в летний сезон.
Температура почвы на глубинах. Колебания температуры поверхностного слоя почвы распространяются вглубь. При этом период суточных и годовых колебаний температуры не изменяется с глубиной, но амплитуда этих колебаний быстро убывает. В зависимости от свойств почвы суточные колебания температуры затухают на глубине 0,3... 1,0 м, годовые — на глубине 7 ... 12 м. Время наступления экстремальных температур как в суточном, так и в годовом ходе запаздывает пропорционально увеличению глубин. В зависимости от свойств почвы суточные колебания температуры запаздывают на два-три часа на каждые 10 см глубины, а годовые — на 20... 30 дней на каждый метр.
На рис. 33 приведен наглядный график (термоизоплеты), характеризующий распределение температуры по глубине и изменение ее во времени в почве с естественным покровом.
Годовая амплитуда средней месячной температуры, достигающая на поверхности 30 °С, на глубине 1,6 м составляет всего 8°С. Годовой минимум температуры, который на поверхности отмечается в феврале, смещается на глубине 1,6 м на апрель, а годовой максимум на этой глубине наблюдается в августе—сентябре.
Однако график термоизоплет отражает лишь среднее многолетнее распределение температуры. Для вероятностной оценки возможных значений средней месячной температуры почвы на глубинах до 1,6 м целесообразно использовать табл. 32 приложения. Например, в январе иа глубине 20 см возможна один раз в 50 лет средняя месячная температура —7°С и более низкая. Такова лее вероятность температуры выше 0,9°С.
Необходимо учитывать, что наличие естественного покрова сглаживает годовой ход температуры почвы. Так, например, в июле на глубине 40 см температура почвы в Ленинграде под оголенной поверхностью на 5°С выше, чем под поверхностью, покрытой травой. В феврале, наоборот, под оголенной поверхностью на той же глубине температура почвы на 6°С ниже, чем под поверхностью со снежным покровом. С глубиной различия термического режима под естественной и оголенной поверхностями уменьшаются.
Весьма важной термической характеристикой является глубина проникновения температуры 0°С в почву (рис. 34).
В среднем отрицательные температуры проникают лишь до глубины около 60 см, период сохранения отрицательных температур с глубиной уменьшается. Глубина проникновения температуры 0°С в почву в зависимости от местных условий может колебаться в довольно широких пределах.
Глубина проникновения температуры 0°С в почву в значительной степени зависит от высоты снежного покрова: чем больше высота снежного покрова, тем меньше глубина проникновения температур 0°С в почву.
На глубину проникновения в почву отрицательных температур большое влияние оказывает также степень увлажнения почвы перед замерзанием. Увеличение влажности почвы сильно меняет ее теплопроводность и теплоемкость. Во влажной почве глубина проникновения температуры 0°С, как правило, меньше, чем в сухой.
Следует учитывать, что глубина проникновения температуры 0°С в почву не совпадает с глубиной промерзания почвы, так как замерзание почвы в зависимости от концентрации солей в почвенном слое, капиллярности и прочее происходит, как правило, при температурах ниже 0°С. Вследствие этого в большинстве случаев глубина проникновения температуры 0°С в почву может быть несколько больше, чем фактическое промерзание.
В городских условиях наряду с участками естественного покрова и зеленых насаждений большие площади покрыты асфальтом и бетоном. При этом на проезжей части улиц (дорог) и на тротуарах снег систематически убирается. Режим температуры и соответственно глубина промерзания грунта под искусственными покрытиями и под естественным покровом существенно различаются.
На территории Ленинграда размещена большая сеть подземных сооружений, в том числе газопровод и тепловые сети, большая часть которых проходит под улицами, покрытыми асфальтом. В этой связи интерес к данным по промерзанию и температуре почвы с асфальтовым покрытием все возрастает
С целью определения характеристик промерзания грунта с асфальтовым покрытием на метеолощадке. Информационного центра погоды с зимы 1966-67 г., кроме наблюдений за промерзанием грунта под естественной поверхностью, производят одновременные наблюдения за промерзанием грунта под асфальтом, поверхность которого регулярно очищается от снега.
Максимальная за зиму глубина промерзания грунта с асфальтовым покрытием (отсчитываемая от верхней границы асфальтового слоя) в среднем за двенадцатилетний период наблюдений превышает глубину промерзания под естественной поверхностью на полметра. Однако различие в глубине промерзания зависит от ряда факторов (суммы отрицательных температур, высоты снежного покрова и т. д.) и может колебаться в довольно широких пределах.