620110, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100
100 Amundsena st., Ekaterinburg 620110
620110, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100
100 Amundsena st., Ekaterinburg 620110
620110, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100
100 Amundsena st., Ekaterinburg 620110
Объект исследований. Фазовые соотношения между тепловыми потоками и температурой земной поверхности в суточном цикле.
Методы. Экспериментальные исследования – актинометрические наблюдения, мониторинг теплового потока через поверхности (грунта и искусственного слоя) и температуры поверхностей (грунта и искусственного слоя) на Объединенной гидрометеорологической станции (ОГМС) “Верхнее Дуброво” в 2020 г.
Результаты. Изменения теплового потока через поверхности происходят синхронно с изменениями суммарной солнечной радиации у земной поверхности, которая, в свою очередь, синхронна с изменениями инсоляции на верхней границе атмосферы. Максимумы всех этих тепловых потоков наблюдаются в солнечный полдень. Температурная реакция отстает от них на величину, определяемую тепловой неоднородностью грунта. Ранее предложенная нами модель температурного отклика земной поверхности на изменение внешнего радиационного воздействия в настоящем исследовании развита на случай теплофизически неоднородного полупространства. Для простейшего случая неоднородности (наличия контрастного по тепловым свойствам верхнего слоя) приведено и исследовано аналитическое выражение. Если теплопроводность пород верхнего слоя ниже теплопроводности подстилающих пород, то фазовый сдвиг между вариациями теплового потока и температурным откликом земной поверхности уменьшается от значения, характерного для поверхности однородного полупространства (45°).
Заключение. Исследования грунта площадки ОГМС “Верхнее Дуброво” позволили построить теплофизический разрез и верифицировать модель по экспериментальным данным. Погрешности теоретических оценок в основном не превышают погрешности оценки фазы при 10-минутной дискретности отсчетов. Полученные результаты могут найти применение в климатических (в том числе палеоклиматических) и экологических исследованиях, при изучении теплообмена на искусственных покрытиях городов и их роли в формировании городских островов тепла.
Research subject. The relationships between heat fluxes and ground surface temperatures in a diurnal cycle.
Methods. Experimental studies, including actinometric observations and monitoring of surface temperatures and surface heat fluxes for a soil and an artificial layer, were performed at the Verkhnee Dubrovo meteorological station in 2020.
Results. The surface heat flux varies synchronously both with the total solar radiation near the earth’s surface and insolation at the upper boundary of the atmosphere. Maximal values of these heat fluxes are observed at the solar noon. The temperature response lags behind them by the time interval determined by the soil’s thermal heterogeneity. In this study, we extend our model of the ground surface temperature response to external radiative forcing, which was developed earlier, to the case of a thermal inhomogeneous half-space. An analytical expression for the simplest case of inhomogeneity (the presence of an upper layer with thermal properties different from those of the underlying rocks) is given and investigated. If the upper layer demonstrates a reduced thermal conductivity, the phase shift between the heat flux and the temperature response decreases in comparison with the value for a homogeneous half-space (45°).
Conclusion. The soil studies conducted at the “Verkhnee Dubrovo” meteorological station allowed us to construct a thermophysical section and to verify the previously developed model using experimental data. The errors of theoretical estimates, in general, do not exceed those of the phase estimate at a 10-minute sampling rate. The obtained results can be applied when conducting climatic (including palaeoclimatic) and environmental studies, as well as when investigating heat exchange processes on artificial urban surfaces and their role in the formation of urban heat islands.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.