Свойства и методы изучения снежного покрова

Свойства снежного покрова

Снег является наиболее распространенным видом твердых атмосферных осадков. Снежинки, составляющие падающий снег и образующие снежный покров, являются плоскими кристаллами льда весьма разнообразной формы, в основном гексагональной, шестигранной и шестилучевой. Размеры отдельных, свободно падающих в воздухе снежинок доходят до 10 мм.

Состав снежного покрова весьма разнообразен, он имеет слоистое строение, обусловленное целым рядом причин: перемежающимися снегопадами, собственной массой снежинок, возгонкой и сублимацией снежных кристаллов, воздействием атмосферных факторов (солнечной радиации, ветра, других атмосферных осадков и пр.).

Таким образом, снежный покров не является стабильным; его мощность и все физико-механические свойства непрерывно изменяются.

Сухой снежный покров представляет собой двухфазную, а мокрый — трехфазную систему, состоящую из кристаллов льда, воды и воздуха, содержащего водяной пар.

Рассмотрим основные характеристики снежного покрова.

Толщина снежного покрова.

Толщина снежного покрова зависит как от количества выпадающих в зимний период осадков продолжительности зимнего периода, так и от степени плотности снега. Наибольшей толщины снежный покров достигает в трех районах: на западных склонах Северного Урала и его западных предгорьях (свыше 90 см), на западных склонах Среднесибирского нагорья и примыкающих к нему с запада частях Западносибирской низменности (110-112 см) и на Дальнем Востоке в районах Камчатки, Сахалина и низовьях Амура[15].

Нарастания толщины снежного покрова в районах с различными климатическими условиями происходит различно. В западных и юго-западных районах, с более мягким морским климатом и частыми оттепелями среди зимы, нередко сгоняющим снежный покров, он нарастает неравномерно и скачкообразно. В районах с континентальными условиями климата наблюдается совершенно  иной ход нарастания толщины снежного покрова. Начиная с момента установления снежного покрова, до декабря-января происходит быстрое и неуклонное увеличение его толщины до максимальной. В середине зимы устанавливается длительный период с антициклональными условиями погоды и почти полным отсутствием снегопадов и оттепелей.

В Приуральском районе толщина снежного покрова увеличивается по направлению с юга и запада на северо-восток, где в верхнем течении р. Печоры у западных склонов Урала оно достигает более 90 см. С момента установления снежного покрова увеличение его толщины происходит более или менее равномерно и непрерывно до февраля после чего до наступления максимума увеличение толщины замедляется. С конца марта толщина снежного покрова быстро уменьшается, и в мае на большей части территории снег исчезает.

Благодаря устойчивым зимним морозами отсутствию оттепелей снег зимой имеет невысокую плотность и при ветрах приходит в движение. Особенно частые и сильные метели наблюдаются на крайнем севере в зоне тундр, где снег к концу зимы залегает очень неровно. В лесной зоне метели более редки, но все же опасность снежных заносов существует.

Снежный покров горного Урала почти совершенно не изучен. Метеорологические станции, на которых ведутся наблюдения над снегом, расположены в долинах рек и не могут дать характеристики покрова в горных районах. Наибольшей толщины (свыше 100 см) снежный покров достигает на западных склонах и западных грядах Северного и Среднего Урала. Восточные склоны и предгорья сравнительно бедны снегом. Снежный покров в горах в значительной степени образуется за счет изморози. Благодаря постоянным сильным ветрам снег залегает крайне неравномерно и отличается значительной плотностью[15].

Плотность снежного покрова

Одним из основных показателей, определяющих большинство физико-механических свойств снежного покрова, является его плотность.

Плотностью снега называется соотношение объема воды, полученной из снега, к взятому для этого объему снега[13]. Плотность снега является одним из важных показателей возможности использования снега в практических целях (для транспорта, в строительстве и пр.).

Плотность снега в снежном покрове колеблется в больших пределах (от 0,01 до 0,7). Она отличается большой неустойчивостью как в пространстве, так и во времени, что зависит от очень многих причин.

Плотность свежевыпавшего снега зависит от формы снежных кристаллов, температуры и влажности воздуха, силы ветра во время снегопада и многих других факторов. Плотность свежевыпавшего снега находится в прямой зависимости от температуры воздуха при снегопаде. При прочих равных условиях, чем выше температура воздуха, тем больше плотность выпадающего снега[13].

Средние значения плотности снежного покрова и запаса воды в снеге, в отличие от аналогичных значений высоты снежного покрова, вычисляются только по данным тех лет, когда снежный покров образовывался. Плотность снежного покрова начинают измерять лишь тогда, когда его высота достигает 5 см, поэтому весной и осенью крайние декады, для которых указывается высота снега и плотность снега, могут не совпадать, то есть период, за который приводится плотность снега, оказывается короче периода с указанием высоты снежного покрова.

Кроме средней плотности, вычисляют среднюю плотность при наибольшей декадной высоте снежного покрова и при наибольшем запасе воды в снежном покрове. Для получения этих характеристик плотности за каждый год выбирается значение плотности в ту из декад, когда высота снежного покрова или запас воды в снеге были наибольшими.

Высота снежного покрова

Высота снежного покрова – это толщина слоя снега, покрывающего поверхность земли[13].

Для характеристики высоты снежного покрова вычисляют средние ее значения не по месяцам, а по декадам зимних месяцев. Эти величины в начале и конце зимы рассчитываются только в том случае, когда снежный покров наблюдался более чем в 50 % зим. Среднюю величину за декаду получают делением суммарной высоты на все число лет выбранного периода независимо от наличия снега в эту декаду. Если же снег наблюдался менее чем в 50 % зим, то среднюю за данную декаду не вычисляют.

Средние многолетние значения высоты снежного покрова по снегосъемкам вычисляют так же, как и по постоянным рейкам. Поскольку ряд наблюдений по снегосъемкам короче (снегосъемки начаты в 1936 г.), при его обработке полезно сравнивать некоторые результаты с данными, полученными по постоянной рейке. Так проверяются данные о высоте снежного покрова для крайних декад и декад внутри зимы с отсутствием снега в некоторые зимы[13].

Изменчивость снежного покрова

Изменчивость снежного покрова – это сезонность существования как физического тела на границе литосферы и атмосферы, фазовые переходы, сопровождающиеся трансформацией тепловой энергии, огромные потенциальные запасы сосредоточенной в нем кинетической энергии, освобождающейся при переходе снега в жидкую фазу, развитие процессов массо-энергообмена внутри снежной толщи[13]. С этим свойством в значительной степени связаны особенности участия снежного покрова в процессах перемещения вещества и трансформации энергии.

В совокупности все свойства снежного покрова определяют своеобразный характер его участия в развитии ландшафтной сферы в целом и ее частей. В частности, при изучении системы связей в географической оболочке снежный покров можно рассматривать как промежуточное звено, через которое осуществляется обмен веществом, энергией и информацией между отдельными компонентами природы[13].

Методы изучения снежного покрова

Для изучения снежного покрова ведутся систематические снегомерные наблюдения на гидрометеорологических станциях и постах. Поступающие со станций сведения о снежном покрове используются в различных отраслях народного хозяйства (в сельском хозяйстве, на транспорте и др.), а также в гидрологических и агрометеорологических расчетах и прогнозах.

Систематические наблюдения над снежным покровом были начаты в СССР в восьмидесятых годах XIX столетия по инициативе А. И. Воейкова.

Наблюдения над снежным покровом на равнинной территории России производятся на огромной сети гидрометеорологических станций и постов и на специализированных стоковых и агрометеорологических станциях. Наблюдения над снегом в горах осуществляются снегомерными партиями, создаваемыми при опорных гидрометеорологических станциях, обсерваториях и научно-исследовательских институтах. Развиваются и совершенствуются методы определения снегозапасов, позволяющие переходить от данных наблюдений на ограниченных участках к оценке характеристик снежного покрова для больших территорий[9].

К числу основных характеристик снежного покрова относятся его высота, плотность, запас воды в снеге и процент покрытия снегом окружающей местности.

На гидрометеорологических станциях и постах ведутся следующие наблюдения:

1) определение наличия снежного покрова и степени покрытия снегом окружающей местности;

2)  ежедневные наблюдения над высотой снега по постоянным снегомерным рейкам и ежедекадные наблюдения над плотностью снега;

3) декадные снегомерные съемки на полевом и лесном участках и на поляне в лесу;

4) снегомерные съемки в балках и оврагах по специальному зданию;

5) съемки ледяной корки у поверхности земли;

6) ежедневные наблюдения над твердыми осадками по осадкомерам;

7) специальные наблюдения на стоковых станциях;

8) снегомерные наблюдения в горах;

9) авиаразведки снежного покрова[9].

Наличие снежного покрова отмечается в те дни, когда в момент утреннего стока наблюдений вся видимая окрестность или больше половины ее были покрыта снегом. Степень покрытия снегом окружающей местности определяется в утренний срок путем осмотра видимой окрестности с одного и того же наиболее возвышенного пункта и оценивается на глаз в баллах[9].

В исследованиях, где требуется иметь более надежные и точные данные, наблюдатель становится всегда на одно и то же наиболее возвышенное место и, поворачиваясь поочередно в сторону стран света (С, В, Ю, З), определяет процент покрытия для каждого направления. Затем вычисляется процент покрытия снегом  для всей местности с учетом размеров площадей в каждом направлении.

Наблюдения по постоянным рейкам производятся ежедневно в утренний срок на двух специально выбранных участках, открытом и защищенном от ветра, или на одном из них. Каждый из участков оборудуется тремя постоянными снегомерными рейками, установленными на расстоянии не менее 10 м друг от друга.

Открытый участок, площадью не менее 400 м2, выбирается среди ровного обширного поля (луга) с таким расчетом, чтобы расстояние до ближайшего леса или крупных сплошных построек было не меньше 20-кратной высоты деревьев или построек[9].

Защищенный участок той же площади выбирается на поляне в лесу или на достаточно большом дворе (не менее 400 м2), окруженном со всех сторон постройками или деревьями, так чтобы снег, сметаемый с крыш и крон деревьев, не попадал на выбранный участок. Постоянные рейки на выбранном участке устанавливаются на расстоянии не менее 10 м от построек и деревьев.

Плотность снега на открытом и защищенном участках измеряется утром после отсчета по рейкам один раз в пятидневку – в последний день каждой декады.

Наблюдения на сети за высотой снега по постоянным рейкам начаты в России с 1891 г., а за плотностью снега – с 1904 г. До 1923/24 г.эти наблюдения были относительно малочисленными. В настоящее время они производятся на станциях и постах и по сравнению с другими видами снегомерных наблюдений являются наиболее массовыми[9].

Декадные снегомерные съемки на станциях производятся в течение зимы в последний день каждой декады, а в периоды зимних оттепелей и весеннего снеготаяния – в последний день каждой декады на трех участках: открытом (поле, луг), в лесу под кронами деревьев и на лесной поляне. Если в радиусе не более 3 км от станции нельзя найти всех трех участков, то снегомерные съемки проводятся на тех участках, которые оказалось возможным найти.

Промерная линия на открытом участке прокладывается в виде равностороннего треугольника с общей длиной сторон не менее 1 км. На лесном участке, имеющем площадь не менее 1 га, разбивается  от 2 до 5 параллельных промерных линий на расстоянии не менее 20 м одна от другой и общей длиной около 500 м. Крайние промерные линии должны находиться на расстоянии не менее чем 100 м от опушки леса. Поляна в лесу должна располагаться в глубине леса на расстоянии не менее 100 м от опушки. Промерные линии на ней общей длиной около 500 м разбиваются так же, как и на лесном участке, но с расчетом, чтобы крайние линии проходили на расстоянии не менее 10 м от деревьев, ограничивающих  поляну. Высота снега на всех участках измеряется через  каждые 10 м, плотность снега – через каждые 100 м. Декадные снегомерные съемки на открытом (полевом) участке были введены в программу наблюдений станции с 1931-1932 гг. и большое распространение получили с 1935 г.[9].

Снегомерные съемки в балках и оврагах производятся по специальному заданию на станциях, расположенных в степных и лесостепных территориях России.

Наблюдения над зимними осадками относятся к числу основных гидрометеорологических наблюдений на станциях. В прежние годы эти наблюдения проводились с помощью дождемеров, не улавливающих большой доли зимних осадков. В настоящее время дождемеры заменены осадкомерами [9].

На стоковых станциях наблюдения за снежным покровом  производятся на водосборах и стоковых площадках с целью определения запасов воды в снеге на водосборе, степени покрытия последнего снегом, ледяной корки у поверхности земли и талой водой, изучения характера и динамики снегонакопления и снеготаяния в зависимости от местных физико-географических условий и получения данных для построения кривых распределения снегозапасов на водосборе.

Снегомерные съемки стоковых станций на водосборах ведутся по незамкнутым снегомерным линиям (маршрутам). На маршрутах длиной до 1 км высота снега измеряется в 100 точках через промежутки равной длины. На маршрутах, имеющих длину свыше 1 км, измерения высоты снега производятся через каждые 10 м. Плотность снега измеряется в обоих случаях на каждой десятой точке измерения высоты с двукратной повторностью. На каждом водосборе назначается в зависимости от его формы от 3 до 5 маршрутов. Общая длина маршрутов на водосборах принимается равной при удлиненной их форме примерно пятикратной, а при округлой – трехкратной средней ширине водосбора.

Маршруты разбиваются таким образом, что проходят от водораздела до водораздела примерно на равном расстоянии друг от друга и пересекают долину основного водотока приблизительно под прямым углом. При разбивке маршрутов соблюдается условие, чтобы соотношение длин отрезков, проходящих по угодьям, полям севооборота и элементам рельефа, на всех маршрутах соответствовало процентному их распределению на водосборе. На стоковых площадках прокладывают продольные и поперечные маршруты[9].

Наряду с перечисленными наблюдениями на стоковых станциях дополнительно ведутся также снегомерные наблюдения по программе метеорологических станций и постов.

Основным видом снегомерных наблюдений на стоковых станциях являются упомянутые выше снегомерные съемки по незамкнутым линиям – маршрутам. При этом различают снегомерные съемки сплошные и по характерным маршрутам. Съемки сплошные предназначаются для детальных исследований характеристик снежного покрова по всей площади водосбора и проводятся на малых водосборах по большому числу параллельных маршрутов, которые пересекают водосбор в поперечном направлении отстоят друг от друга на небольшом расстоянии. Маршрут называется характерным, если он проложен с учетом площадей угодий на водосборе и результаты снегомерных съемок пор маршруту оказываются близкими к получаемым по сплошной съемке.

В настоящее время метод снегомерных съемок по маршруту используется также в научных исследованиях, например исследовании точности показаний дождемеров в зимнее время, определении числа промерных точек по маршруту, необходимых для обеспечения соответствующей точности результатов снегомерных съемок, определении снегозапасов в бассейне, исследовании условий формирования весеннего половодья, изучение условий перезимовки озимых посевов и для решения ряда других задач.

Снегомерные наблюдения в горах производятся по маршрутам и на специально выбранных снегомерных пунктах. Назначением их является получение сведений, необходимых для гидрологических расчетов и прогнозов стока талых вод, изучения климата горных районов и решения таких задач, как регулирование стока горных рек путем искусственного ускорения или замедления таяния снежников и ледников, борьба со снежными заносами, лавинами и обвалами и с неблагоприятными последствиями снеготаяния.

Основным способом изучения снежного покрова в горах являются снегомерные съемки по линейным маршрутам и на снегомерных пунктах. На гидрометеорологических станциях, расположенных в горных районах, применяются также ежедневные наблюдения по постоянным рейкам и декадные снегомерные съемки на полевом и лесном участках[9].

В труднодоступных для снегомерных съемок горных районах для измерения зимних осадков применяются суммарные осадкомеры. Способ определения снегонакопления в горах по сумме зимних осадков в высотных зонах, где не бывает зимних оттепелей, дает неплохие результаты при надлежащем устройстве суммарных осадкомеров и уходе за ними.

Авиаразведки снежного покрова, визуальные и с применением аэрофотосъемки, производятся на территории России некоторыми управлениями гидрометеорологической службы с целью получения сведений о площадях, занятых снежным покровом, степени покрытости их снегом, характере залегания снежного покрова и установления тыла снеготаяния (на равнине) и границ снеговой линии (в горах)[9].

Авиаразведки не устраняют необходимости наземных снегомерных наблюдений и являются лишь дополнением к ним. Эффективным является сочетание сплошной наземной снегомерной съемки перед началом снеготаяния в исследуемом речном бассейне с авиаразведками схода снега на той же территории в период снеготаяния. В этом случае по кривой распределения снегозапасов на территории бассейна, построенной по данным снегомерной съемки и площадям схода снега, можно определить объем и слой талых вод за промежутки времени между полетами, т.е. получить исходные величины, необходимые для гидрологических расчетов и прогнозов.

Идея применения методов авиаразведки для оценки процента покрытия снегом равнинных территорий возникла в связи с необходимостью обеспечения сведениями оперативных прогнозов. С этой целью 5 апреля 1947 г. Центральным институтом прогнозов была произведена аэрофотосъемка в одном из районов бассейна р. Москвы.

Ошибка в аэровизуальном определении процента покрытия снегом местности группой наблюдателей может доходить до 16-17 %. Максимальная ошибка одного наблюдателя не превышает 20 %. Определения площадей покрытия снегом по материалам аэрофотосъемок могут дать отклонения от истинных площадей порядка 6-7%[9].

Применение аэровизуальных наблюдений и аэрофотосъемок целесообразно при исследовании достаточно больших площадей. В тех случаях, когда стоит задача детального исследования схода снега на небольших водосборах и экспериментальных площадках, применяется наземная фотография. Исследуемый участок фотографируется в течение периода снеготаяния с одной и той же точки стояния при установке камеры по каким-либо ориентирам в одном и том же определенном положении.

Для определения полученных на плане площадей покрытия снегом применяется способ взвешивания. Этот способ заключается в том, что из полученного плана вырезаются площади, покрытые снегом, и взвешиваются с большой точностью на аналитических весах. Для контроля взвешивается весь план, а также изображенные на нем участки, свободные от снега[9].