Под словом микроклимат подразумевают местные особенности климата, существенно меняющиеся уже на небольших расстояниях. В одном и том же географическом районе с одним общим типом климата наблюдаются различные варианты микроклимата над близкими участками земной поверхности, различными по строению и свойствам. Над лугом и соседним лесом, над пашней и болотом, над ровной степью и в балке, вблизи озера и в отдалении от него атмосферные условия будут в большей или меньшей степени различаться. Это и значит, что в указанных местах при одном общем типе климата будет разный микроклимат.
Микроклиматические различия зависят от мелкомасштабных различий в строении и свойствах подстилающей поверхности. Они слабы сравнительно с теми особенностями климата, которые создаются влиянием других, крупномасштабных географических факторов. В предшествующих главах, говоря о влиянии подстилающей поверхности на температуру, облачность и другие элементы климата, мы обращали внимание главным образом на самые общие особенности поверхности, как, например, расчленение ее на сушу и море, или крупномасштабная орография. Поэтому теперь особо остановимся на микроклиматических воздействиях подстилающей поверхности.
Для микроклимата играют роль экспозиция подстилающей поверхности относительно стран света, неровности микрорельефа, большая или меньшая степень влажности почвы, особенности растительного покрова и пр. Эти различия подстилающей поверхности определяют собой различия в поглощенной радиации, в эффективном излучении и в радиационном балансе поверхности, а также в условиях нерадиационного обмена между поверхностью и атмосферой. В результате будут наблюдаться микроклиматические различия в режиме температуры и влажности воздуха и в испарении.
Микрорельеф и различия в шероховатости земной поверхности могут обусловливать и микроклиматические различия в режиме ветра. В меньшей степени обнаруживаются микроклиматические различия в режиме облачности и осадков, но все-таки обнаруживаются. Например, над значительным по размерам озером в теплое время года может происходить частичное рассеяние кучевых облаков. Известно также уменьшение облачности и осадков на плоских побережьях морей. В холодное время года облака конвекции, напротив, могут возникать над открытыми водными поверхностями. В разных условиях погоды микроклиматические различия могут быть выражены лучше или хуже. Например, температурные различия будут наибольшими в солнечную и тихую погоду, различия в ветре - при сильном ветре и т. п.
Образование различных видов туманов и, следовательно, их климатический режим также зависят от микроразличий земной поверхности. Например, в низине или вблизи болота повторяемость туманов может быть существенно больше, чем в соседней открытой местности (за счет поземных туманов). Над большими реками поземные туманы возникают реже, чем над соседней местностью, но зато возможно возникновение туманов испарения. В больших городах повторяемость туманов увеличена в сравнении с загородными местностями.
Когда речь идет о таких крупных объектах, как побережье или город, иногда избегают пользоваться термином "микроклимат" и говорят о местном климате; однако точного количественного разграничения этих терминов не существует. К явлениям местного климата следует отнести, например, бризы и горно-долинные ветры, которые были рассмотрены в главе седьмой; сюда же можно отнести и многие климатические различия внутри горных систем. Автором была сделана попытка связать определения климата, местного климата и микроклимата с таксономическими единицами ландшафтоведения. Термин климат можно понимать как климат географического ландшафта, определяемый по показаниям нескольких станций, расположенных в типичных участках этого ландшафта (например, климат Южного берега Крыма). Под местным климатом можно тогда понимать климат определенного географического урочища внутри данного ландшафта, вполне характеризуемый данными одной метеорологической станции, расположенной в этом урочище (например, города Ялты). Микроклимат же следует рассматривать как климат фации внутри данного урочища (например, ялтинской набережной), для выяснения которого нужны специальные микроклиматические наблюдения, о которых речь пойдет ниже.
Итак, микроклиматические различия зависят от неоднородности подстилающей поверхности на сравнительно небольших расстояниях. Поэтому в основной своей части они распространяются на слой воздуха, ближайший к земной поверхности. Микроклиматические различия температуры и влажности могут быть прослежены и по показаниям приборов в будках на стандартной высоте наблюдений. Но значительно ярче они будут проявляться в более близком к почве приземном слое воздуха. Напротив, на высоте будки и выше они будут сглаживаться вследствие перемешивания воздуха при ветре. Поэтому для установления микроклиматических различий нужны наблюдения на различных высотах внутри приземного слоя воздуха. В определенной степени микроклимат отождествляется с климатом приземного слоя воздуха.
Этот нижний слой особенно интересен в том отношении, что именно в нем обитают полевые, огородные и многие садовые культуры. Но микроклиматические различия могут существовать в ослабленной степени и на более высоких уровнях. Поэтому микроклиматические наблюдения производят и в слоях выше 2 м, до нескольких десятков метров. Даже под термином "приземный слой" иногда понимают слой в несколько десятков метров над земной поверхностью. Выявление микроклиматических различий в таком слое также может представлять интерес, например, с точки зрения садоводства или лесного хозяйства: ведь плодовые и иные деревья могут далеко выходить за пределы двухметрового слоя.
В явлениях местного климата, таких, как бризы или горно-долинные ветры, встречается еще большее вертикальное распространение. Бризы, как мы уже знаем, имеют вертикальную мощность в сотни метров.
Понятно, что обычная сеть метеорологических станций слишком редка для микроклиматических исследований. Такие исследования проводятся путем организации густой сети наблюдений на небольших расстояниях хотя бы на короткие промежутки времени. Наблюдения над ветром, температурой и влажностью при этом производятся на разных уровнях над почвой, начиная от нескольких сантиметров. Поскольку с помощью таких наблюдений определяются вертикальные градиенты метеорологических элементов в приземном слое воздуха, то самые наблюдения называются градиентными. Для микроклиматических наблюдений применяют переносные походные приборы, в особенности психрометр Ассмана и ручной анемометр, а также электрические термометры и переносные актинометрические приборы. Практикуют микроклиматические съемки с одновременными наблюдениями в ряде точек на местности. Применяют также автомобиль, с которого делаются наблюдения походными приборами в различных точках выбранной трассы или самопишущими приборами непрерывно на всей трассе. К микроклиматическим наблюдениям относятся и съемки снежного покрова, выясняющие особенности его распределения на местности.
Понятно, что микроклиматические наблюдения невозможно произво-дить длительно, на протяжении многих лет, в одном и том же месте, как обычные метеорологические наблюдения. Задача исследования заключается здесь не в определении многолетнего режима, а в выявлении разностей между условиями в различных пунктах исследуемой местности и в сравнении наблюдений в отдельных точках с показаниями опорной, постоянно действующей станции в данном районе.
Какими же основными особенностями метеорологического режима обладает приземный слой воздуха по сравнению с вышележащими слоями?
Прежде всего суточная амплитуда температуры на уровнях ниже 2 м больше, чем на высоте будки, и тем больше, чем ближе к земной поверхности. Ведь на поверхности почвы суточная амплитуда температуры больше, чем суточная амплитуда температуры воздуха в метеорологической будке. Понятно, что и в слоях воздуха непосредственно над почвой она также будет больше, чем в будке, примерно на 50%. В одном случае летом в Ленинграде над оголенной почвой температура на высоте 5 см была в 12 часов +31,6° и в 21 час +19,5°; на высоте 150 см соответствующие значения были +29,2 и +21,3°. Разность температур между полуднем и вечером была, таким образом, на первой высоте 12,1°, а на второй 7,9°. По наблюдениям над базальтовой поверхностью в Исландии, летом амплитуда температуры на высоте 1 м может быть на 15° меньше, чем у самой поверхности.
Максимум температуры непосредственно над почвой наступает примерно на 1 час раньше, чем в будке.
Понижение температуры в приземном слое наблюдается в особенности в ясные ночи, когда почва сильно выхолаживается эффективным излучением. Поэтому на почве и в самом нижнем слое воздуха могут наблюдаться заморозки, в то время как в будке температура остается выше нуля.
В приземном слое ночью легко создается устойчивая стратификация, исключающая возможность конвекции. Вполне обычны при этом инверсии температуры: в будке температура выше, чем у земной поверхности, и часто продолжает расти также и над уровнем будки.
Днем в солнечную погоду в приземном слое, напротив, имеется очень сильное падение температуры с высотой. Разность между температурой у земной поверхности и температурой в будке может составить несколько градусов. При пересчете на единицу высоты, равную 100 м, получится огромная величина вертикального градиента температуры. В нижних 30 см градиент в летний полдень может доходить до 500°/100 м. Конечно, в действительности подобные градиенты имеют место только в нижних десятках сантиметров. Но их наличие создает самые благоприятные условия для возникновения конвенции. Получит ли конвекция развитие, приводящее к облакообразованию, зависит уже от распределения температуры в вышележащем более мощном слое воздуха. С сильной дневной неустойчивостью приземного слоя связаны такие явления, как пыльные вихри, дрожание воздуха, миражи. Последние два оптических явления объясняются приземными аномалиями в вертикальном распределении плотности воздуха.
Известно, что ветер во всем слое трения ослаблен по сравнению со свободной атмосферой. Это ослабление особенно велико в приземном слое, а у самой земной поверхности скорость ветра снижается почти до нуля. Таким образом, внутри приземного слоя наблюдается быстрый рост скорости ветра с высотой. В разных случаях этот рост происходит по-разному в зависимости прежде всего от стратификации атмосферы. В общем распределение скорости ветра с высотой в приземном слое более или менее близко к логарифмическому распределению. Это значит, что сначала, вблизи земной поверхности, скорость ветра возрастает с высотой быстро, но по мере увеличения высоты возрастание скорости становится все медленнее.
Сильный ветер в приземном слое воздуха переносит пыль, снег и другие твердые частички и тем ухудшает видимость в приземном слое. Ветер в приземном слое влияет также и на температурные условия. С усилением ветра растет турбулентность и, стало быть, увеличивается теплообмен между почвой и воздухом. Поэтому днем температура земной поверхности при ветре ниже, а ночью выше, чем в тихую погоду.
Теперь дадим суммарное представление о микроклиматических условиях для нескольких характерных типов ландшафтов, именно для пересеченной местности, леса и города.
Мезо- и микрорельеф земной поверхности, т. е. неровности поверхности с разностями высот порядка метров или десятков метров, влияет на микроклимат (и местный климат) в основном так же, как крупномасштабный рельеф влияет на общие условия климата. Однако есть и различия, обусловленные тем, что разности высот в данном случае малы и потому высота над уровнем моря не имеет существенного значения.
Основная роль в микроклимате пересеченной местности принадлежит экспозиции, т. е. ориентировке склонов относительно стран света, а также формам рельефа. Приток солнечной радиации на ориентированные по-разному склоны холмов существенно различен. Поэтому склоны разной экспозиции прогреваются по-разному, что в свою очередь сказывается на температуре воздуха и может отразиться на характере растительности, сроках зацветания и пр.
Разности температур на южных и северных склонах холмов в ясную погоду днем могут достигать у земной поверхности" нескольких градусов, но на высоте будки это всего несколько десятых долей градуса. В пасмурную погоду различия более или менее сглаживаются.
Колебания температуры в вогнутых формах рельефа (низины, лощины) больше, чем на выпуклых (вершины холмов): дневные температуры повышаются, а ночные понижаются. Это положение оправдывается как в ус-ловиях макрорельефа, о чем уже говорилось в главе четвертой, так и в условиях микрорельефа. Особенно велики различия в минимальных температурах (даже в будке разности абсолютных минимумов могут достигать 15°); в максимальных температурах они меньше. Это явление объясняется стоком холодного воздуха по склону местности или штилем в низинах ночью и уменьшенным обменом воздуха в низинах днем.
В связи с увеличением суточной амплитуды температуры в низких местах увеличивается на несколько процентов и суточная амплитуда относительной влажности; увеличивается повторяемость росы, инея, поземных туманов.
Воздух обтекает препятствия. Поэтому перед холмом и на боковых его склонах скорость ветра возрастает, а за холмом убывает; там могут также возникать подветренные вихри. Чем неустойчивее стратификация в приземном слое, тем больше возможность для воздуха перетекать через препятствие сверху. При очень устойчивой стратификации, при инверсиях, влияние препятствия (холма, леса) можно проследить за препятствием на расстоянии, равном его 30-50-кратной высоте. Если препятствие суживает русло ветрового потока, то в получающемся узком проходе скорость ветра возрастает. Ветры, дующие вдоль речной долины, усиливаются, поперек долины - ослабевают. Мы знаем о ночном стоке воздуха по склонам местности. Скорость ветра может при этом достигать и превышать 1-2 м/сек, а толщина стекающего слоя холодного воздуха может колебаться от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Вертикальные движения воздуха над пересеченной местностью усиливаются. Это может сказаться на увеличении осадков в условиях хорошо выраженного мезорельефа. Расчлененная местность влияет и на распределение осадков. На наветренных склонах и вблизи вершин возвышенностей осадки убывают, так как скорость падения мелких капель там замедляется восходящим движением воздуха; на подветренных склонах осадки увеличиваются вследствие ослабления ветра или появления нисходящих со-ставляющих скорости, увеличивающих скорость падения капель.
Через ветер рельеф местности влияет на распределение снежного покрова. На вершинах холмов и отчасти на наветренных склонах покров уменьшен, в низинах же откладываются сугробы. Весеннее таяние снега происходит быстрее всего на вершинах холмов и на южных склонах, где увеличен приток солнечной радиации.
Влияние травяного покрова на условия в приземном слое воздуха, в особенности на температуру, уже рассматривалось в предыдущих главах. Поэтому о микроклимате луга мы здесь говорить не будем. Рассмотрим, однако, подробнее микроклиматические условия леса.
Под пологом леса создается свой микроклимат или местный климат, существенно отличный от условий в окружающей открытой местности. Сквозь кроны леса солнечная радиация проникает в ослабленной степени; в густом лесу вся или почти вся радиация будет рассеянной, а интенсивность ее - малой. Соответственно убывает и освещенность под пологом леса.
Роль деятельной поверхности в лесу переходит к кронам. Температура днем будет максимальной непосредственно над кронами леса; при этом она здесь значительно выше, чем на том же уровне в открытой местности. Внутри леса днем (в летнее время) температура значительно ниже, чем над кронами. Ночью же кроны сильно охлаждаются излучением, и потому максимум температуры по вертикали наблюдается в это время на высоте 1-2 м над ними. Но минимум температуры будет наблюдаться не на уровне крон, а внутри леса, так как холодный воздух стекает с высоты крон вниз.
Конечно, как радиационный, так и тепловой режим в лесу зависит от возраста и сомкнутости леса, от пород деревьев и прочих биологических факторов. Летом в лесу днем холоднее, чем в поле, ночью теплее. Зимой условия сложнее, но в общем разность температур между лесом и полем почти отсутствует. В среднем годовом лес несколько холоднее, чем поле. Годовые амплитуды температуры в лесу немного уменьшены.
Относительная влажность в лесу повышена по сравнению с влажностью в поле на несколько процентов. Летом эта разница наибольшая, зимой она почти отсутствует. Как относительная, так и абсолютная влажность летом наибольшая в кронах деревьев.
При встрече ветрового потока с лесом воздух в большей части обтекает лес сверху. Поэтому над кронами скорость ветра сильнее, чем на той же высоте в открытой местности. Внутри леса, по мере удаления от опушки, скорость ветра уменьшается. В вертикальном направлении скорость ветра особенно сильно убывает в пределах крон. Под кронами ветер равномерно слабый, а в пределах нижнего метра над земной поверхностью скорость убывает до нуля.
Лес испаряет не сильнее, а, по-видимому, слабее, чем хорошо развитая луговая растительность или полевые культуры. Однако испарение с крон леса происходит более длительное время. Непосредственное испарение с почвы в лесу невелико; главную роль играет транспирация крон, а также испарение осадков, задержанных кронами. Важно, что лес испаряет воду, полученную корнями деревьев с достаточно глубоких горизонтов; поэтому верхний слой почвы в лесу более влажен, чем в поле.
Во всяком случае, лес не может существенно увеличивать внутренний влагооборот и не может увеличивать этим путем количество осадков, выпадающих на суше. Это уже выяснялось в главе пятой. Но, по-видимому, лес может несколько увеличивать осадки над данным лесным районом и в его окрестностях другим путем. Именно, увеличивая шероховатость подстилающей поверхности, лес вызывает подъем линий тока в воздухе, переходящем с поля на лес, и вообще увеличивает турбулентность, а тем самым усиливает и конденсацию. По некоторым расчетам увеличение осадков лесом может составлять десятки миллиметров за год. Вероятно, играет роль не только общая площадь облесенности, но и протяжение лесных опушек. Иными словами, чем пятнистее распределение леса, тем больше его влияние на выпадение осадков.
Снег распределяется в лесу равномернее, чем в открытом месте, и плотность его в лесу меньше вследствие ослабления здесь ветра. Правда, в густых хвойных лесах много снега остается на кронах деревьев, а затем испаряется с них или сносится ветром. Таяние снега в лесу замедлено, а почва под высоким и рыхлым снежным покровом промерзает на меньшую глубину, чем в поле.
Большой современный город сильно влияет на климат. Он создает свой местный климат, а на отдельных его улицах и площадях создаются своеобразные микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, покрытием улиц, распределением зеленых насаждений и пр.
Большой город, особенно с сильно развитой промышленностью, загрязняет атмосферу над собой, увеличивает ее мутность и тем самым уменьшает приток солнечной радиации. За счет увеличения мутности может теряться до 20% солнечной радиации. Это снижение еще усиливается высокой застройкой в узких улицах. Вследствие той же пелены дыма и пыли на территории города снижено эффективное излучение, а стало быть, и ночное выхолаживание. С другой стороны, в городе к рассеянной радиации присоединяется радиация, отраженная стенами и мостовыми.
Крыши и стены домов, мостовые и пр., поглощая радиацию, нагреваются в течение дня сильнее, чем почва и трава, и отдают тепло воздуху, особенно вечером. Поэтому температуры воздуха в городах выше, чем в сельской местности; в больших городах средние годовые температуры выше на 1° и более. В Лондоне средняя годовая температура в центре города +12,0°, в пригороде +10,5°, в близких сельских местностях +9,5°. Особенно повы-шает город минимальные температуры; разность минимальных температур на городской и загородной станциях может достигать нескольких градусов. С ростом города, т. е. с увеличением его застройки, температура в городе растет.
Испарение, а стало быть, и влажность в городе уменьшены вследствие покрытия улиц и стока воды в канализацию.
Так как территория города нагрета больше, чем окружающая местность, и обладает большей шероховатостью, над городом усиливается конвекция и больше развиваются облака, что также уменьшает число часов солнечного сияния и количество ясных дней. Наблюдается и увеличение осадков над городом. Система городских улиц и площадей приводит к изменениям направления ветра в городе. Ветер преимущественно направляется вдоль улиц. В общем скорость ветра в городе ослабевает, но в узких улицах усиливается; на улицах и перекрестках легко возникают пыльные вихри и поземки.
В тихую антициклоническую погоду на перегретой территории города наблюдается явление так называемого - городского бриза. Слабые ветры на-правлены днем от окружающей местности к центру города, при усилении восходящего движения воздуха над городом. Если общий перенос воздуха достаточно силен, это явление незаметно.
При устойчивой стратификации атмосферы, в особенности при инверсиях температуры, дым может накапливаться в приземном слое атмосферы в таком количестве, что производит вредное физиологическое действие. Известен задымленный воздух крупных портовых и промышленных городов. Ядовитые дымы и газы, являющиеся отходами производства, могут накапливаться в нижних слоях, особенно если этому благоприятствует рельеф местности, и приводить к массовым отравлениям, как это случалось, например, в городах Рурской области. Автомобильный транспорт также вносит свой вклад в загрязнение воздуха городов. В Лос-Анжелесе, очень большом городе с развитой промышленностью и огромным количеством автомобилей (свыше трех миллионов в 1963 г.), за сутки поступает в воздух до 40 т твердых частичек, 450 т окиси серы и 190 т окиси азота.
Содержание ядер конденсации в городском воздухе резко увеличено вследствие этих загрязнений. Поэтому туманы в городах возникают чаще и бывают интенсивнее, чем в загородных местностях. Это нужно учитывать при устройстве аэродромов. Дым, смешанный с туманом, увеличивает плотность тумана и придает ему грязный цвет; сочетание дыма и тумана может создавать особенно вредные для организма условия. В главе пятой уже говорилось о дымном тумане, так называемом смоге. В уже упомянутом Лос-Анжелесе в году в среднем 70 дней со смогом.