Оценка фазовых соотношений между тепловыми потоками и температурой земной поверхности в суточном цикле по результатам мониторинга на ОГМС “Верхнее Дуброво”

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.

1. Горностаева А.А. (2014) Алгоритм расчета изменений теплового потока через земную поверхность по данным об изменениях температуры земной поверхности. Уральский геофиз. вестн., 1, 37-45.

2. Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Антипин А.Н. (2019) Новая модель климатического отклика и ее применение для орбитальной настройки климатических реконструкций плейстоцена. Геоф. процессы и биосфера, 18(4), 203-211. https://doi.org/10.21455/GPB2019.4-17

3. Демежко Д.Ю. (2001) Геотермический метод реконструкции палеоклимата (на примере Урала). Екатеринбург: УрО РАН, 144 с.

4. Казанцев С.А., Дучков А.Д. (2008) Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород. Мат-лы Междунар. конф. “Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения”. Тюмень, ИКЗ СО РАН, 236-239.

5. Ревут И.Б. (1972) Физика почвы. М.: Колос, 368 с.

6. Ярцев В.П., Андрианов К.А., Иванов Д.В. (2010) Физикомеханические и технологические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 120 с.

7. Abu-Hamdeh N.H., Reeder R.C. (2000) Soil thermal conductivity effects of density, moisture, salt concentration, and organic matter. Soil Sci. Soc. Amer. J., 64(4), 12851290.

8. Bennet W.B., Wang J., Bras R.L. (2008) Estimation of global ground heat flux. J. Hydrometeorol., 9, 744-759.

9. Berger A., Loutre M.F. (1991) Insolation values for the climate of the last 10 million of years. Quat. Sci. Rev., 10(4), 297-317. http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_EARTH_LAND_NGDC_PALEOCLIM_INSOL.html

10. Demezhko D.Y., Gornostaeva A.A. (2015) Late Pleistocene–Holocene ground surface heat flux changes reconstructed from borehole temperature data (the Urals, Russia). Clim. Past, 11(4), 647-652.

11. Douglass D.H., Blackman E.G. and Knox R.S. (2004) Temperature response of Earth to the annual solar irradiance cycle. Phys. Lett. A, 323(3-4), 315-322.

12. Fedorov V.M. (2015) Spatial and temporal variations in solar climate of the Earth in the present epoch. Izvestiya, Atmospher. Ocean. Phys., 51(8), 779-791.

13. Hays J.D., Imbrie J., Shackleton N.J. (1976) Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages. science, 194, 1121.

14. Kutzbach J.E., Liu X., Liu Z., Chen G. (2008) Simulation of the evolutionary response of global summer monsoons to orbital forcing over the past 280,000 years. Clim. Dyn., 30, 567-579. DOI 10.1007/s00382-007-0308-z

15. Laskar J., Joutel F., Boudin F. (1993) Orbital, precessional, and insolation quantities for the Earth from –20 Myr to +10 Myr. Astron. Astrophys., 270, 522-533.

16. Laskar J., Robutel P., Joutel F., Gastineau M., Correia A.C.M., Levrard B. (2004) A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astron. Astrophys., 428(1), 261-285.

17. Renner M., Brenner C., Mallick K., Wizemann H.D., Conte L., Trebs I., Wei J., Wulfmeyer V., Schulz K., Kleidon A. (2019) Using phase lags to evaluate model biases in simulating the diurnal cycle of evapotranspiration: a case study in Luxembourg. Hydrol. Earth System Sci., 23(1), 515-535.

18. Sun T., Wang Z.H., Ni G.H. (2013) Revisiting the hysteresis effect in surface energy budgets. Geophys. Res. Lett., 40(9), 1741-1747.

19. Waelbroeck C., Jouzel J., Labeyrie L., Lorius C., Labracherie M., Stievenard M. (1995) A comparison of the Vostok ice deuterium record and series from Southern Ocean core MD 88–770 over the last two glacial-interglacial cycles. Clim. Dyn., 12(2), 113-123