Температура под снегом

Первый снег всегда приносит радость и детишкам, и взрослым. Да и в последующие дни выпадение этих осадков никого не оставляет равнодушным. Ребятня забрасывает друг дружку снежками, строят сказочные замки, взрослые становятся на лыжи. Но задумывался ли кто-то над вопросами: «А от чего зависит влажность снега? Почему в одни дни можно слепить снежок, а в другие – снег становится рассыпчатым и ни в какую не хочет сбиваться в шарик?» А ведь ответ лежит на поверхности: все это зависит от влажности и температуры воздуха и почвы под снегом. А вот от чего зависят эти показатели?

Температура почвы под снегом.

Снег, как хороший теплоизолятор, оказывает большое влияние на защиту почвы от промерзания. И чем рыхлее снег, тем сильнее будет почвозащита от воздействия низких температур. Но значение это не однозначное и может отличаться один показатель от другого не только от дальности регионов, но и в пределах одной области или района и зависит от температуры земного покрова в момент выпадения снега. Если снег ложится на глубоко промерзшую почву, а высота снежного покрова не велика, то температура почвы под снегом, на его поверхности и температура воздуха над ним будут почти идентичны. В то же время если в этих районах высота снега достигает 15-20 см., то разница между температурой почвы и снежной поверхности будет составлять 6-8 градусов; при этом поверхность земли будет теплее. С другой стороны, если снег выпадает на непромерзлую землю, а глубина снежного «покрывала» достаточно велика, то температура земли под снегом будет приблизительно от нуля до -0,5 градусов. Это говорит о том, что снег, как плохой проводник тепла, отражающий ультрафиолетовые лучи солнца, надежно защищает верхний слой земли от остывания. В то же время поверхность почвы не может иметь плюсовую температуру, так как в этом случае снег при соприкосновении с землей будет таять.

Опыты ученых показали, что при температуре воздуха -25…-28 градусов и высоте снежного покрова 25 – 30 см температура земли не опускается ниже -10 гр., а на глубине 35 – 40 см – ниже -5 гр. В то же время при температуре воздуха -45 гр. и высотой снега до 1,50 м и при условии, что снег довольно рыхлый, температура почвы не опускается ниже -8 гр. Это еще раз доказывает то, что снег, как надежный щит, закрывает землю от замерзания.

Что теплее – снег или воздух?

Температура снежного покрова зависит как от его толщины, так и от температуры воздуха над ним, а так же и от температуры почвы. Земля, накапливая летом тепло, с наступлением холодов остывает медленно. Снег, как отличный теплоизолятор, покрывая землю, сохраняет это тепло даже в самые сильные морозы. Поэтому температура снега зависит от толщи снежного «покрывала» и температуры воздуха над ним. Если снег прикрыл землю на 10-15 см, то его температура и температура воздуха будут практически одинаковы. В том случае, когда снег ложится глубиной до 120 – 150 см, разница температур может изменяться как непосредственно самого снежного покрова, так и в отношении к температуре воздуха. Снег наверху будет холоднее, чем у поверхности земли, так как забирая у нее тепло, он начинает сам прогреваться. В то же время на поверхность снега оказывает влияние морозный воздух, остужая его. Поэтому на глубине приблизительно 45-50 см его температура будет выше, чем на поверхности приблизительно на 1,5 – 2 гр., а у самой земли – на 4-6 гр. При этом температура воздуха на расстоянии до 1 м будет такая же, как и температура снежного покрова. В то же время на высоте от 1,50 м и выше показатель этот будет значительно ниже.

Согласно опытам ученых температура воздуха, так же как и снега зависит и от времени суток. Наблюдая за исследованиями, они сделали вывод, что наиболее высокая температура снега (-0,5 гр.) наблюдается днем от 13:00 до 15:00, а наиболее низкая (-10) в период с 02:00 до 03:00. В этот же период температура воздуха днем поднималась до +6 гр., а ночью опускалась до –15 гр. Таким образом можно сделать вывод, что температура снега контролируется тремя показателями – температурой воздуха, глубиной снежного покрова и температурой почвы. Изучив эти показатели, можно делать прогнозы во многих отраслях народного хозяйства.

Влияние снега на окружающую среду.

Снег, укрывая землю, сохраняет ее тепло, защищает от замерзания почвы. А это очень важный фактор в первую очередь для сельского хозяйства и в первую очередь для сохранения озимых культур. Посеянные осенью и проросшие зерновые под снежным покровом спокойно переносят даже лютые морозы, в то время, как в местах, где снега нет, а мороз сковывает землю они вымерзают. То же происходит и с садовыми растениями. В бесснежные зимы почва промерзает, что способствует растрескиванию и вымерзанию корней, «ожогам» на коре деревьев.

В то же время резкие перепады температур могут оказать и отрицательное влияние как на природу, так и на деятельность человека. Так при часом изменении температуры воздуха от + до – снег при положительных температурах начинает таять, а затем при ее снижении – подмерзать, что способствует появлению подмерзшей корки. Наст усложняет пользование зимними пастбищами. Талые воды смывают плодородный слой земли, что часто приводит к эрозии почвы. Скопившись в низине, они способствуют вымоканию озимых. Но в настоящее время люди научились контролировать уровень снега. Так, в районах, где снега выпадает мало, на полях ставят специальные щиты, которые задерживают снег. А в местах, где скопляется много талой воды – прорывают водоотводящие каналы.

И все же, невзирая на все отрицательные факторы, мы всегда радуемся этим белым, пушистым звездочкам. Снова и снова с улыбкой следим за детворой, спускающейся на санках со снежной горки, делаем прекрасные фотографии заснеженных деревьев, вместе с малышами лепим снежную бабу. И смеемся, смеемся, смеемся…

Описание массива данных

Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621201

Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Александрова Т.М.

ОПИСАНИЕ МАССИВА ДАННЫХ

«Характеристики снежного покрова

НА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ РОССИИ

И БЫВШЕГО СССР»

1. Введение

Массив создан по данным регулярных ежедневных наблюдений за снежным покровом. Перечень станций России составлен на основании Списка станций Росгидромета, включенных в Глобальную сеть наблюдений за климатом (утвержденного Руководителем Росгидромета 25 марта 2004 г.) и Списка реперных метеорологических станций Росгидромета, подготовленного в Главной Геофизической Обсерватории им. А.И. Воейкова (исп. Зав. ОМРЭИ ГГО В.И.Кондратюк). Список станции и информация по ним содержится в наборе «Каталог станций». Массив ежегодно пополняется информацией за прошедший год. Для некоторых станций информация заканчивается более ранними годами, так как:

• Станции закрыты (как на территории России, так на территории независимых государств, бывших республик СССР);
• Данные по станциям не представлены для подготовки «Метеорологического ежемесячника станций стран содружества независимых государств, часть 1 «Ежедневные данные””

Данные по станциям, находящимся на территории независимых государств – бывших республик СССР, публикуются в соответствии с решениями Исполкома межгосударственного совета по метеорологии стран СНГ об утверждении списка станций для международного обмена (Алма-Аты, 1993 год)

Любые замечания и рекомендации по данному массиву данных можно направлять во ВНИИГМИ-МЦД:

— заведующему отделом климатологии Разуваеву Вячеславу Николаевичу:

• Email: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

— ведущему программисту отдела климатологии Давлетшину Сергею Геннадьевичу:

• Email: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. «> Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

2. Описание формата данных

Массив состоит из 620 файлов данных в формате ASCII с именами вида:

IIIII.dat, где:

IIIII – синоптическийиндекс станции (индекс ВМО).

Записи в файлах данных упорядочены по возрастанию ключевых элементов:

— год;

— месяц;

— день.

Описание формата записи приведено ниже в таблице 1.

Таблица 1

Формат записи в файлах данных

Номер поля	Позиция	Длина Поля	Наименование поля	Примечание
1	1-5	5	Индекс ВМО станции	Фиксировано для файла
	6	1	Пробел
2	7-10	4	Год
	11	1	Пробел
3	12-13	2	Месяц
	14	1	Пробел
4	15-16	2	День
	17	1	Пробел
5	18-21	4	H– высота снега	В сантиметрах
	22	1	Пробел
6	23-24	2	S-степень покрытия окрестности станции снегом	В баллах по 10-бальной шкале, См. Таблицу 2
	25	1	Пробел
7	26	1	Q1- дополнительная информация о высоте снежного покрова	См. Таблицу 3
	27	1	Пробел
8	28	1	Q2 – признак качества по высоте снежного покрова	См. Таблицу 4
	29	1	Пробел
9	30	1	Q3 – дополнительная информация с учетом температуры воздуха	См. Таблицу 5

‘9999’ — Значение высоты снега забраковано или наблюдения не проводились.

‘99’ — Значение степени покрытия окрестности станции снегом забраковано или наблюдения не проводились

Таблица 2

Степень покрытия окрестности станции снегом

Период наблюдений	Степень покрытия окрестности станции снегом	Значение Q
До июля 1959 г.	50% и менее 50% окрестности станции	0
	Более 50% окрестности станции	1
С августа 1959 г. по настоящее время	Степень покрытия окрестности станции снегом оценивается по 10-бальной шкале. Например, отсутствие снега – 0 баллов, 20% окрестности станции покрыто снегом -2 балла, 50% окрестности станции покрыто снегом -5 баллов и т.д.	От 0 до 10

Таблица 3

Дополнительная информация о высоте снежного покрова

Ситуация	Значение Q1
Данные о высоте снежного покрова верные	0
Отсутствие снега	1
Снежный покров отсутствует на станции, однако в окрестностях станции снег есть.	2
Высота снега меньше 0.5 cm	3
Наблюдения не проводились или значение высота снега забраковано	9

Таблица 4

Признак качества по высоте снежного покрова*

Ситуация	Значение Q2
Значение сомнительное по условию: Abs(D)>30 & abs(∆H1)>10 & abs(∆H2)>10 Пояснение: D=∆H2-∆H1, ∆H – разница между соседними значениями высоты снежного покрова;	1
Во всех остальных случаях	0

*- Осуществлено сравнение последовательных значений высоты снежного покрова.

Q2 присваивается значение 1, если разница перепадов последовательных значений высоты снега составляет 30см или более, причем высота снега соседних наблюдений различается на 10 и более см..

Таблица 5

Дополнительная информация с учетом температуры воздуха **

Ситуация	Значение Q3
H^=0 & Tсредняя>5 & Tмин>0	1
Во всех остальных случаях	0

**- Осуществлен анализ значений высоты снежного покрова при различных значениях среднесуточной и минимальной за сутки температуры воздуха. Q3 присваивается значение 1, если при положительной минимальной температуре и средней за сутки температуре воздуха более 5 оС высота снежного покрова больше 0.

Осенние и зимние циклоны могут приносить снег, дождь, переохлажденный дождь, ледяной дождь.

В той части циклона, где расположен теплый атмосферный фронт, теплый воздух наползает на клин холодного воздуха, расположенный у земли. В результате перед приземной линией фронта получается «сэндвич с теплой начинкой», в котором между двумя холодными слоями воздуха, расположен теплый. Особый интерес представляет случай, когда температура в холодном воздухе отрицательная, а в теплом — положительная. В зоне такого атмосферного фронта, может наблюдаться широкий спектр осадков – от снега до дождя.

Снег идет перед фронтом, когда температура во всей толще тропосферы отрицательная.

Если осадки, начавшие выпадать в виде ледяных кристалликов/снежинок, проходят через расположенный ниже слой теплого воздуха, толщина которого достаточна для того, что бы они растаяли, они превращаются в водяные капли.

Если толщина слоя холодного воздуха, в который затем попадают капли, продолжая падать вниз, — большая, то они успевают покрыться ледяной оболочкой – образуется ледяной дождь.

Если слой холодного воздуха относительно тонкий и расположен у поверхности земли, то капли дождя, попадая в него, становятся переохлажденными, но не успевают замерзнуть до тех пор, пока не соприкоснутся с холодной поверхностью земли, проводов, веток деревьев и т.д. Это — переохлажденный дождь.

Если теплый слой воздуха простирается до поверхности земли осадки так и продолжают падать в виде дождя.

В зоне, где отмечаются переохлажденный дождь и ледяной дождь, — образуется гололед, который представляет собой ледяную корку, как на горизонтальных, так и на вертикальных (!) поверхностях. Гололед является опасным явлением, когда диаметр его отложений превышает 20 мм. Хотя проблемы начинают появляться, когда отмечается пока еще только сам факт гололеда – уже очень трудно передвигаться по поверхности, покрытой коркой льда (иногда коэффициент сцепление просто близок к «0»), автомобиль может покрыться коркой льда, и его трудно открыть и очистить стекла, не говоря уже о более серьезных вещах.

Если в теплом секторе температура повышается до положительных значений, нарастание гололеда прекращается и он быстро разрушается. Если температура не переходит в «+», то это очень плохо – гололед может сохраняться очень долгое время на проводах, ветках деревьев, на вертикальных поверхностях, где его трудно «извести» реагентами, как это было в конце декабря 2010 года в Центре ЕТР.

Часто зимой выпадает и мокрый снег. Снег, выпадающий при положительной температуре, близкой к 0°, когда снежинки частично подтаивают или когда вместе со снегом выпадает дождь. Снежинки мокрого снега обычно слипаются в хлопья.

Мокрый снег, налипая на провода и ветки деревьев, увеличивает нагрузку на них. Диаметр отложений мокрого снега, превышающий 35 мм, считается опасным. Мокрый снег наблюдается при положительной, близкой к нулю, температуре у земли, когда снежинки частично подтаивают или когда вместе со снегом выпадает дождь.

Интересно рассмотреть случай мокрого снега, когда распределение теплого и холодного воздуха по высоте противоположно тому, которое отмечается при выпадении переохлажденного дождя. В этом случае более холодный воздух находится над слоем более теплого воздуха. Здесь все зависит от температуры у поверхности земли и скорости ее понижения с высотой. Эти два фактора определяют толщину слоя с положительной температурой.

а) температура у поверхности земли небольшая, но понижается с высотой медленно. В этом случае нужна значительная толщина слоя с положительной температурой, чтобы снег полностью растаял;

б) температура у поверхности земли выше, но с высотой она быстро понижается, снег успевает растаять при меньшей толщине слоя.

Если его толщина менее 60 м, то почти 90% осадков будут выпадать в виде снега. Если высота слоя с положительной температурой около 275 м, то примерно половина осадков будет снегом, а половина – дождем. Если высота слоя с положительной температурой окажется выше 300 м, то вероятность выпадения снега будет меньше 50%.

В действительности в каждой конкретной синоптической ситуации возможны отступления от приведенных схем в зависимости от особенностей вертикального распределения температуры, относительной влажности воздушных масс, скорости перемещения и протяженности фронтальной зоны и т.д.

Все эти тонкости учитываются синоптиками при прогнозе фазы и интенсивности осадков. Но все же, что бы не создавать путаницы и не вводить в ступор потребителей, в прогнозах используют более общую типизацию осадков по фазе без большой детализации, ограничиваясь терминами «снег», «мокрый снег», «дождь», либо их сочетанием. Если ожидается вероятность выпадения переохлажденных осадков (дождя, мороси, ледяного дождя), которые образуют гололед, то в прогнозах звучит просто «гололед».

Такие явления предусматриваются в краткосрочных прогнозах погоды (на срок от 12 до 72 часов, или 3 суток).

(Более подробно в разделе Терминология прогнозов погоды)

Карта мазей

Факторы, влияющие на выбор мази.

• ТЕМПЕРАТУРА
• ВЛАЖНОСТЬ
• ЗЕРНИСТОСТЬ СНЕГА
• ДРУГИЕ ФАКТОРЫ
• ХАРАКТЕР ТРЕНИЯ СНЕГА

ТЕМПЕРАТУРА

Температуры, указанные на упаковках мазей Swix, — это температуры воздуха. Первая отправная точка при выборе мази — замер температуры воздуха в тени. Это необходимо сделать в нескольких точках вдоль трассы, особо учитывая то, какая точка является наиболее критической, вроде равнинного участка. Полезно знать также температуру поверхности снега. Но помните, что, достигнув точки замерзания (О°С), температура снега дальше расти не будет, как бы ни поднималась далее температура воздуха. В этом случае лучше использовать температуру воздуха и обратить большее внимание на определение содержания воды в снеге.
вернуться >>

ВЛАЖНОСТЬ

Влажность важна, но скорее как локальная тенденция климата, а не как необходимость каждый раз точно измерять её процентную величину. Важно знать только, проходят ли соревнования в зоне сухого климата, со средней влажностью до 50%; нормального климата с влажностью 50-80% или влажного климата от 80% до 100%. Помимо этого, конечно, надо отметить ситуацию, когда выпадают осадки.
вернуться >>

ЗЕРНИСТОСТЬ СНЕГА

Для выбора мази важен также вид кристалла снега и получающейся снежной поверхности. Падающий или очень свежий только что выпавший снег — наиболее критическая ситуация для смазки. Острые кристаллы требуют мази, которая не допускает проникновения кристаллов снега, а при более высоких температурах она должна обладать ещё и водоотталкивающими свойствами. Именно в этой специальной, критической для смазки ситуации наилучшей является Сеrа F.
При положительных температурах воздуха температура снега остаётся равной 0°С.
Количество воды, окружающей ледяные кристаллы, возрастает до тех пор, пока снег не становится насыщенным водой. В этом случае требуются сильно водоотталкивающие мази и накатка крупных желобков на скользящую поверхность.

• Мелкозернистый снег, острые кристаллы требуют накатки узких, более мелких желобков.
• Более старый, лежалый снег при средних зимних температурах требует накатки средних желобков.
• Вода и большие, круглые снежные кристаллы требуют накатки крупных желобков.

вернуться >>

ДРУГИЕ ФАКТОРЫ

Снег меняется от свежего нового снега до льда. Это означает, что свойства снега также меняются между крайними точками. Чтобы удовлетворить и крайним условиям, и всем промежуточным, необходимо достаточное число мазей и соответствующее им профилирование (структура) скользящей поверхности.
Атмосфера и состояние снега непрерывно изменяются. Снег под влиянием атмосферных явлений может нагреваться или охлаждаться.
Скорость изменений зависит от температуры воздуха и влажности. Так, переувлажнение воздуха вызывает конденсацию на поверхности снега, в результате чего выделяется скрытая теплота, и возникает необходимость использовать более тёплые мази, чем следовало бы исходя только из температуры. С другой стороны, при сухой погоде происходит сублимация снега — процесс, отнимающий тепло от слоя снега. Это требует применения более твёрдых мазей, чем диктуется температурой воздуха.
Ветер легко может изменить картину поверхности снега. По переметённом ветром снегу лыжи, как правило, скользят плохо. Это происходит потому, что частицы снега дробятся на более мелкие, которые трутся друг о друга, в результате снег становится более плотным. Большая плотность поверхности увеличивает площадь контакта между лыжей и снегом, что ведёт к более высокому трению.
Альбедо, или отражательная способность, является важным фактором, хотя нередко упускается из виду. Альбедо поверхности снега определяет количество энергии солнечного излучения, поглощаемого поверхностью снега. Отражательная способность зависит от размеров и плотности снежного зерна, угла возвышения солнца, высоты местности над уровнем моря и степени загрязнённости поверхности снега. Сухой, чистый снег при низко стоящем солнце может иметь альбедо около 95%; это означает, что практически всё падающее излучение отражается. Очень грязный, пористый, сырой снег может иметь альбедо в промежутке от 30% до 40%; в этом случае примерно 2/3 падающего излучения поглощается снегом.
Падающее излучение является коротковолновым (видимый свет). Земля, в достаточно хорошем приближении являющаяся нагретым чёрным телом, испускает длинноволновое тепловое излучение (в основном дальняя инфракрасная область). В ясную погоду за счёт этого излучения почва может заметно охлаждаться. В облачную погоду теплоюе излучение отражается облаками, что ведёт к потеплению.
Всё это означает, что, в дополнение к температуре и влажности, вам надо учесть ещё, охлаждается или нагревается поверхность снега в результате процессов, связанных с излучением, так как ход этих процессов может не зависеть от температуры.
В общем, необходимо чувствовать, что происходит, в терминах средней температуры воздуха, температуры снега, влажности и содержания воды в снеге. . Также определите тенденции изменения погоды в течение дня, например, как быстро теплеет с раннего утра до времени гонки около полудня. При тренировках обратите внимание на то, нет ли тенденции к резкому подъёму температуры в часы соревнований. Эта информация о тенденциях погоды должна быть принята во внимание при выборе мази.

вернуться >>

ХАРАКТЕР ТРЕНИЯ СНЕГА

Обычно при смазке гоночных лыж трение снега делится по характеру на три разновидности:

• Мокрое трение снега
  Температуры положительные. Снег, насыщенный свободной юдой между кристаллами. Трение определяется как смазывающим свойством водяных капель, так и сопротивлением в результате подсасывания на толстых водяных плёнках. Мокрому трению соответствуют мази:
  CeraF-FC200/FC200S, HF10, LF10, СН11 и СН10
• Промежуточное трение
  Температуры примерно от 0°С до -12°С. Трение с долей скольжения, зависящей от температуры. Элемент мокрого трения определяется водными плёнками различной толщины (зависящей от температуры), окружающими ледяные кристаллы.
  Промежуточному трению в тёплом конце температурного интервала соответствуют следующие мази:
  CeraF-FC200/FC200S, HF8 и LF8, HFGSn LFGS СН8
  Промежуточному трению в холодном конце температурного интервала соответствуют следующие мази:
  Cera F — FC100/FC100S, НF6 и LF6, НF7 и HF7, LFG6, СН6, СН7.
• Сухое трение
  Температуры примерно от -12°С и ниже. С понижением температуры толщина смазывающих водных плёнок падает до тех пор, пока их влияние на трение снега не становится совсем незаметным. Трение в этом случае начинает определяться деформацией кристаллов снега, их срезанием, вращением и т.п. Мази для условий сухого трения:
  Cera F-FC100/FC100S, HF4 и LF4,LFG4, СН4
  При температурах от -18°С и ниже эти мази лучше работают сами по себе, а не в смеси с более тёплыми мазями для промежуточных условий трения.

вернуться >>

Часто при проектировании раздела «Энергоэффективность» для моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.

Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.

Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:

1. Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.

Таблица 1

1. Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР

Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:

Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:

Можно конечно попробовать рассчитать температуру грунта, например, по методике, изложенной в книге С.Н.Шорин «Теплопередача» М.1952. На стр.115. Но такой расчёт весьма сложный и не всегда оправдан.

Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.

Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.