МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Учреждение образования «БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» Кафедра физики Л. Е. Кириленко, О. М. Астахова, А. В. Цвыр АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ Методические указания к практическим занятиям для студентов агроэкологического и агрономического факультетов Горки БГСХА 2012 3 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Учреждение образования «БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» Кафедра физики Л. Е. Кириленко, О. М. Астахова, А. В. Цвыр АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ Методические указания к практическим занятиям для студентов агроэкологического и агрономического факультетов Горки БГСХА 2012 4 УДК 63:551.5 (072) Рекомендовано методической комиссией агроэкологического факультета. Протокол № 8 от 27 марта 2012 г. Авторы: кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Л. Е. Кириленко; кандидат педагогических наук, доцент О. М. Астахова; ассистент А. В. Цвыр Рецензенты: кандидат сельскохозяйственных наук, доцент И. Г. Пугачева; старший преподаватель кафедры физики В. Н. Грузинский Агрометеорология : методические указания к практическим занятиям / Л. Е. Кириленко, О. М. Астахова, А. В. Цвыр. – Горки : БГСХА, 2012. – 24 с. Приведены задачи по агрометеорологии, а также основные формулы с пояснениями, необходимые для решения задач. Для студентов агроэкологического и агрономического факультетов. УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», 2012 5 ВВЕДЕНИЕ Сельскохозяйственное производство представляет собой цех под открытым небом, поэтому климатические и погодные условия играют здесь основную роль. Несмотря на совершенствование агротехники возделывания культур влияние погодных условий на урожай остается наиболее значимым. Именно погодные условия определяют начало весенних полевых работ, сроки посева, норму высева, глубину заделки семян, сроки и методы уборки урожая и т. д. С изменением погодных условий должна изменяться и агротехника. Специалистам сельского хозяйства необходимо уметь эффективно использовать ресурсы климата и погоды для повышения продуктивности сельскохозяйственного производства, бороться с опасными метеорологическими явлениями. Для этого необходимо знать физические основы явлений и процессов, происходящих в атмосфере, в связи с их влиянием на объекты и процессы сельскохозяйственного производства. Агрометеорологическая информация помогает специалистам сельского хозяйства планировать сельскохозяйственные работы в связи со сложившимися и ожидаемыми погодными условиями, что позволяет ослабить действие неблагоприятных факторов и наиболее эффективно использовать благоприятные метеорологические условия. Будущие специалисты сельского хозяйства должны научиться правильно оценивать и учитывать метеорологические и климатические условия для целей сельскохозяйственного производства. Чтобы правильно количественно и качественно оценить сложившиеся погодные и климатические условия необходимо уметь решать практические задачи. В процессе решения задач студенты учатся не только мыслить и делать выводы, но и применять математические расчеты, анализировать полученные результаты. 6 1. СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ Радиация, поступающая к земной поверхности непосредственно от Солнца, называется прямой солнечной радиацией и обозначается буквой S. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям, но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на поверхность земли в виде параллельных лучей. Количество солнечной энергии, падающей на единицу горизонтальной поверхности, будет меньшим, чем на единицу поверхности, расположенной перпендикулярно лучам Солнца (рис. 1.1). Рис. 1.1 Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность называется инсоляцией и обозначается через S . Инсоляция связана с прямой радиацией следующей зависимостью: S = S sin h. Солнечная радиация, проходя через атмосферу, частично рассеивается, т. е. происходит отклонение солнечных лучей от прямолинейного распространения. Сумма прямой и рассеянной радиации называется суммарной радиацией (Q = S + D). Суммарная радиация, падающая на горизонтальную поверхность, определяется следующим образом: QS = S sin h0 + D, где S sin h0 – инсоляция; D – рассеянная радиация; h0 – высота Солнца. Падая на землю, суммарная радиация частично отражается. Величина солнечной радиации, отраженной от земной поверхности, зависит от характера этой поверхности. Величина, характеризующая отражательную способность поверхности тела, называется альбедо (А). Измеряется альбедо отношением радиации, отраженной некоторой 7 поверхностью, к суммарной радиации, падающей на эту поверхность, выражается альбедо в процентах: R À 100 %. Q Альбедо зависит от рода поверхности и ее состояния. Растительный покров и оголенная почва отражают солнечную радиацию неодинаково. Почва, покрытая растительностью, отражает радиацию в два раза сильнее, чем оголенная. Более светлые почвы отражают сильнее, чем темные. Альбедо зависит также от степени увлажненности почвы. Значения альбедо для различных поверхностей приведены в табл. 1.1. Т а б л и ц а 1.1. Альбедо различных поверхностей Поверхность Альбедо, % Поверхность Почвы Альбедо, % Растительный покров 18 Рожь и пшеница в разных стадиях развития Серый песок влажный 9 Зеленая трава 26 Желтый песок 25 Сухая трава 19 Чернозем сухой 14 Лес хвойный Чернозем влажный 8 Лес лиственный Серый песок сухой 10–25 15 13–17 Наиболее высокое альбедо имеет снег. Альбедо свежевыпавшего снега равняется 80–90 % (может достигать даже 94 %), уплотненного снега – 40–50 %. Отражательная способность воды зависит от угла падения лучей. При отвесном падении лучей отражается лишь 2 % радиации, а под углом 2о–78 %. При рассеянной радиации отражательная способность воды в среднем равна 8 %. Таким образом, из общего потока суммарной радиации Q часть отражается: AQ R . 100 % Остальная часть суммарной радиации поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды. Поглощенная радиация определяется следующим образом Q – R = Q – AQ = = Q(1 – A). Энергетическая освещенность солнечного излучения в международной системе единиц СИ выражается в ваттах на 1 м2 8 (Вт/м2). До 1980 г. в метеорологии за единицу измерения интенсивности солнечной радиации было принято количество тепла в калориях, которое получает в 1 мин 1 см2 поверхности, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам (кал/(см2мин)). Соотношение между этими единицами измерений следующее: 1 кал/(см2мин) = 698 Вт/м2. Задачи 1. Определить инсоляцию в полдень, если по данным актинометрических приборов суммарная радиация составляет 0,7 кВт/м2, а рассеянная – 0,28 кВт/м2. 2. Вычислить суммарную солнечную радиацию при следующих данных: высота Солнца h0 = 80о, прямая солнечная радиация S = = 0,67 кВт/м2, рассеянная радиация D = 0,18 кВт/м2. 3. Вычислить альбедо Ак зеленого поля, если суммарная радиация Q = 0,63 кВт/м2, а отраженная радиация R = 0,14 кВт/м2. 4. Вычислить поглощенную радиацию за час свежевспаханным черноземом (Ак = 10 %) и песчаной почвой (Ак = 40 %), если суммарная радиация в среднем за этот час составляет 840 Вт/м2. 5. При высоте Солнца, равной 30о, поток прямой солнечной радиации составляет 0,84 кВт/м2, а поток рассеянной радиации – 0,11 кВт/м2. Определить, какое количество тепла поглощает поверхность сухой травы (Ак = 18 %). 6. На сколько больше тепла поглощает поверхность влажного парового поля (Ак = 10 %) по сравнению с сухим (Ак = 14 %), если суммарная радиация составляет 700 Вт/м2 (солнце в зените). 7. Вычислить рассеянную солнечную радиацию D при следующих данных: высота солнца h0 = 60о, прямая солнечная радиация S = = 0,67 кВт/м2, суммарная радиация Q = 0,78 кВт/м2. 8. При высоте солнца, равной 80о, поток прямой солнечной радиации составляет 0,94 кВт/м2, а поток рассеянной радиации – 0,16 кВт/м2. Определить, какое количество тепла поглощает поверхность почвы (Ак = 10 %). 9. Вычислить альбедо Ак почвы, если суммарная радиация Q = 0,82 кВт/м2, а отраженная радиация R = 0,10 кВт/м2. 10. Определить инсоляцию, если по данным актинометрических приборов суммарная радиация составляет 0,94 кВт/м2, а рассеянная – 0,18 кВт/м2. 2. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВОЗДУХА 9 Воздух лучами солнца практически не нагревается, поэтому процесс нагревания воздуха происходит за счет тепла, поступающего от нагретой подстилающей поверхности. Перенос тепла происходит при тепловой конвекции, турбулентности воздуха, в процессе молекулярного теплообмена между молекулами почвы и воздуха. Температура воздуха изменяется с высотой. Это изменение характеризуется вертикальным градиентом температуры. Вертикальный градиент температуры (ВГТ) показывает, как изменяется температура воздуха через 100 м высоты, и определяется по формуле t t = í â 100, lâ lí где tí tâ – разность температур воздуха на нижнем и верхнем уровнях, °С; lâ lí – разность высот, м. В среднем ВГТ = 0,5–0,6 оС на 100 м высоты. Если ВГТ > 0, то температура с высотой уменьшается, если же ВГТ = 0, температура с высотой не изменяется (в этом случае наблюдается температурная изотермия). Если ВГТ > 0, то температура с высотой повышается и наблюдается температурная инверсия. Основные характеристики температуры воздуха приведены ниже. 1. Средняя суточная температура – среднее арифметическое значение из восьми отсчетов по срочному термометру за сутки. 2. Средняя месячная температура – среднее арифметическое значение из средних суточных температур за все сутки месяца. 3. Средняя годовая температура – среднее арифметическое значение из средних суточных температур (или из средних месячных температур) за весь год. 4. Максимальная температура – самая высокая температура за срок наблюдения, например за сутки, месяц, год и т. д. Данные о максимальной температуре летом показывают число жарких дней, когда возможно повреждение зерна в период налива, зимой показывают частоту оттепелей и их интенсивность. 5. Минимальная температура – самая низкая температура за срок наблюдения, например за сутки, месяц, год и т. д. Данные о минимальной температуре дают возможность судить об условиях перезимовки озимых культур и плодово-ягодных насаждений, о сроках начала и окончания заморозков весной и осенью. 10 В агрометеорологии широкое применение получили суммы температур как показатель, условно характеризующий количество тепла в данной местности за определенный период. Для сельскохозяйственной оценки ресурсов климата Селянинов Г. Т. предложил использовать суммы активных температур. Активными называются средние суточные температуры, превышающие 10 оС. Суммы активных температур применяют для изучения обеспеченности теплом вегетационного периода в различных районах Беларуси. Если сравнивать юго-западные районы с северными и северо-восточными, то разность между суммами активных температур за период вегетации составляет около 400–450 оС. Это значит, что в юго-западных районах необходимо выращивать наиболее теплолюбивые культуры. Применяются также суммы эффективных температур для выражения потребности растений в тепле. Эффективными называются средние суточные температуры, отсчитанные от биологического минимума, при котором развиваются растения данной культуры. Они рассчитываются по формуле tэф = tcр – tбм, где tcр – среднесуточная температура воздуха; tбм – биологический минимум температуры для растений данной культуры. Для различных растений биологические минимумы температур развития культур неодинаковы. Для кукурузы он составляет 10 оС, для ячменя – 5 оС, для теплолюбивых культур – 12–15 оС. Тепло является одним из главных факторов жизни растений. При выращивании той или иной сельскохозяйственной культуры необходимо, чтобы в период вегетации накопилось определенное количество теплых дней. Одним из показателей температурных условий за вегетационный период является сумма средних суточных температур. Этот показатель используется для оценки возможности выращивания в данном районе тех или иных сельскохозяйственных культур. Задачи 1. Средняя температура воздуха за сутки на различной высоте приведена в табл. 2.1. Т а б л и ц а 2.1. Средняя температура воздуха за сутки, °С Высота, Время, ч, м 11 м 0.30 4.30 6.30 8.30 10.30 12.30 14.30 16.30 18.30 20.30 0,2 22,9 18,8 23,7 30,2 36,3 39,7 40,1 39,1 35,0 27,4 0,5 23,4 19,2 23,4 29,5 34,7 37,7 38,6 38,4 34,8 28,1 1,5 24,1 19,5 23,2 28,6 33,5 36,4 37,4 37,5 35,1 28,4 2,0 24,4 20,1 23,5 28,5 33,4 36,0 37,3 37,4 35,0 28,5 Построить и проанализировать график суточного хода температуры воздуха на всех высотах. Вычислить разность температур на высоте 0,5 и 2,0 м в 8 ч 30 мин и 14 ч 30 мин. Вычислить вертикальный градиент температуры воздуха в слое 0,2–2,0 м (°С/100 м) за сроки 0 ч 30 мин и 14 ч 30 мин по формуле, приведенной ранее. Обычно вертикальный градиент рассчитывается на 100 м. Если tâ tí , то температура воздуха увеличивается. 2. Вычислить вертикальный градиент температуры воздуха, если температура воздуха на высоте 219 и 2028 м составляет соответственно 29,3 и 17,4 °С. 3. Определить температуру воздуха на высоте 50 и 100 м, если вблизи поверхности земли в июле температура составляет 24 °С, а вертикальный градиент температуры воздуха равен 0,6 °С/100 м. 4. Определить высоту, на которой температура воздуха равна 10 °С, если на высоте 2 м она составляет 16,8 °С, а вертикальный градиент температуры воздуха = 0,5 оС/100 м (температура с высотой убывает). 5. Температура воздуха на высоте роста капусты (25 см) на южном и северном склонах возвышенности приведена в табл. 2.3. Т а б л и ц а 2.3. Температура воздуха на высоте роста капусты, °С Время, ч Склон 0 10 12 14 16 18 20 Южный 28,4 32,0 32,6 35,8 32,6 26,5 22,4 Северный 27,8 31,4 31,2 30,8 28,6 25,0 21,7 Вычислить амплитуду температурных колебаний на склонах, разность температур на склонах за каждый срок. Объяснить причины изменения разности температур в течение суток. 6. Определить среднюю годовую температуру воздуха, амплитуду колебаний температуры воздуха, годовой минимум и максимум температуры воздуха. 12 Исходные данные взять из табл. 1–4 (прил. 1), а вариант – по указанию преподавателя. 7. Вычислить суммы температур за вегетационный период по методу Селянинова. Оборудование: климатический справочник, двойной лист бумаги в клетку, линейка. Порядок выполнения работы: а) построить график годового хода температуры воздуха в указанном пункте (исходные данные взять из прил. 1): – отступив от нижнего края листа на 8 клеток, провести горизонтальную линию (абсциссу), разметить ее на 12 интервалов (по 5 клеток в каждом интервале) и подписать названия месяцев. Неравенством продолжительности месяцев можно пренебречь; – из точек абсциссы, соответствующих серединам месяцев (приблизительно 15-е число), восстановить ординаты, пропорциональные месячным температурам, в масштабе 1о в одной клетке (ординаты чертить не нужно, а только пометить точками их верхушки); – соединить верхушки ординат плавной линией; б) определить по графику даты (число, месяц) перехода температуры весной и осенью: – через 0 оС; – через +5 оС; – через +10 оС; в) подсчитать по этим датам продолжительность (в днях): – периода с температурой выше 0 оС; – периода с температурой выше +10 оС (общий вегетационный период). При подсчете брать для каждого месяца фактическое число дней (апрель – 30, май – 31, июнь – 30 и т. д.); г) определить сумму температур за общий вегетационный период в градусах (∑t). Для месяцев, полностью входящих в период, сумма температур находится умножением среднемесячной температуры на число дней в месяце. Для месяцев, не полностью входящих в период, ее находят следующим образом: 13 – для весеннего месяца по графику определяют температуру 10 t1 последнего дня (t1) и величину умножают на число дней этого 2 месяца, входящее в вегетационный период. Например, переход температуры через 10 оС весной произошел 3 мая, а температура 31 мая по графику равна 14,3 оС, тогда сумма температур за этот месяц 10 14,3 28 340, 2 î Ñ; 2 – для неполного осеннего месяца по графику определяют температуру в первый день этого месяца (t2) и величину t2 10 умножают на количество дней этого месяца, входящее в 2 вегетационный период. Например, переход через 10 оС осенью произошел 22 сентября, а температура 1 сентября по графику равна 10 13, 4 13,4 оС, тогда сумма температур за этот месяц 22 257, 4 î Ñ; 2 д) зная начало общего вегетационного периода и его продолжительность, определить дату (число и месяц) середины периода и за первую половину вегетационного периода подсчитать сумму температур отдельно, указанным выше способом. Но в отличие от подсчетов неполных весенних и осенних месяцев сумму температур за неполный летний месяц определяем как произведение числа дней этого месяца, входящего в первую половину вегетационного периода, на среднюю арифметическую из температур первого числа месяца и даты середины вегетационного периода; е) начертить на том же листе бумаги (на прежней абсциссе) график годового хода осадков по их среднесуточным количествам (масштаб 0,1 мм в одной клетке по оси ординат). Подсчитать количество осадков за первую половину общего вегетационного периода (∑О). За месяцы, полностью входящие в подсчет, брать количество осадков прямо из таблички месячных сумм. За месяцы, не полностью входящие в подсчет, суммы осадков подсчитываются аналогично суммам температур; ж) оценку влагообеспеченности местности производят с применением гидротермического коэффициента Селянинова, который вычисляется отношением суммы осадков к испаряемости. За показатель испаряемости Селянинов Г. Т. рекомендует брать 14 приближенное значение выражения t , 10 где t – средняя температура за данный период. Для оценки условий увлажнения применяют предложенный Селяниновым Г. Т. гидротермический коэффициент (ГТК): ГТК = 10 ∑О / ∑t, где ∑О – сумма осадков за период активной вегетации (t ≥ 10 оC), мм; ∑t – сумма температур за период активной вегетации, оС. Полученные по формуле значения соответствуют: 0–0,5 – сухо; 0,5–1 – засушливо; 1–1,5 – влажно; 1,5–2 – избыточно влажно. Гидротермический коэффициент нельзя применять для оценки увлажнения в зимний, весенний и осенний периоды, когда среднесуточная температура воздуха ниже 10 оС. 3. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА Влажность воздуха – содержание водяного пара в атмосфере. Основные характеристики содержания водяного пара в атмосфере приведены ниже. Парциальное давление водяного пара е – давление, которое имел бы водяной пар, находящийся в воздухе, если бы он один занимал объем, равный объему воздуха при той же температуре. Единицей измерения является гПа. Давление насыщенного водяного пара Е – максимальное значение, которое может принимать парциальное давление водяного пара при данной температуре. Относительная влажность f – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при данной температуре и атмосферном давлении, выражается в процентах: e f 100. E При неизменном парциальном давлении водяного пара с повышением температуры воздуха относительная влажность воздуха уменьшается, а с понижением температуры – увеличивается. Дефицит насыщения водяного пара d – разность между давлением насыщенного водяного пара и парциальным давлением водяного пара при данной температуре: D = E – e. 15 С увеличением относительной влажности дефицит насыщения уменьшается и становится равным нулю, если е = Е, т. е. если f = =100 %. Точка росы tр – температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, достигает насыщения над поверхностью чистой воды или льда при данном атмосферном давлении. Фактическая температура воздуха может совпадать с точкой росы при f = 100 %. Абсолютная влажность a – масса водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха. Выражается в граммах на метр кубический (г/м3). Методы измерения влажности воздуха. Для измерения влажности воздуха используются психрометрический и гигрометрический, или сорбционный, методы. Название психрометрического метода произошло от слова «психрос» – охлаждение. Измерение влажности воздуха основано на охлаждении одного из термометров. На этом методе основана работа наиболее распространенных приборов для измерения влажности воздуха – аспирационного и станционного психрометров. Гигрометрический, или сорбционный, метод измерения влажности основан на свойстве гигроскопических тел реагировать на изменение влажности воздуха. На этом свойстве основано действие волосного гигрометра. Значение влажности воздуха для сельскохозяйственного производства. Если воздух сухой, то имеется большой дефицит насыщения, резко возрастает испарение с поверхности почвы и усиливается транспирация растений. Особенно опасна для растений относительная влажность воздуха ниже 30 %: она вызывает преждевременное усыхание листьев и щуплость зерна. Влажность воздуха влияет на качество продукции растениеводства. При малой влажности воздуха улучшаются хлебопекарные качества пшеницы, но снижается качество льноволокна. Однако условия уборки зерновых комбайнами считаются благоприятными с увеличением дефицита насыщения. При а > 8 гПа условия уборки считаются хорошими, при а < 3 гПа – оцениваются как плохие. При повышенной относительной влажности воздуха развивается ряд болезней сельскохозяйственных культур, например фитофтороз картофеля и томатов, различные виды ржавчины зерновых культур и др. Задачи 16 1. Может ли при температуре воздуха 12,8 оС парциальное давление водяного пара составлять 24,0 гПа? 2. Вычислить относительную влажность воздуха, если при температуре 21,8 оС и нормальном давлении точка росы равна 6,4 оС. Найти парциальное давление водяного пара, дефицит насыщения. 3. Станет ли насыщенным водяной пар, содержащийся в воздухе, если вечером температура и относительная влажность составили 14,9 оС и 6,3 % соответственно, а к утру температура понизилась до 6,7 оС (атмосферное давление осталось неизменным)? Какой процесс может начаться при таких условиях? 4. Рассчитать парциальное давление водяного пара, давление насыщенного водяного пара, дефицит влажности и температуру точки росы по данным, представленным в табл. 3.1. Атмосферное давление принять равным 1000 гПа (прил. 2). Т а б л и ц а 3.1. Исходные данные Варианты Характеристики Температура сухого термометра, оС Температура смоченного термометра, оС Относительная влажность, % 1 2 3 4 5 22,4 24,6 24,8 25,2 25,4 15,8 16,2 15,4 42 40 4. АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ Из облаков, образующихся в результате конденсации и сублимации водяного пара на некоторой высоте над земной поверхностью, выпадают атмосферные осадки. По фазовому состоянию осадки бывают твердые, жидкие и смешанные. По характеру выпадения они бывают ливневые, моросящие и обложные. К жидким осадкам относятся ливневый дождь, обложной дождь и морось. Осадки являются основным источником влаги для сельскохозяйственных полей. Ливневые осадки менее благоприятны для растений, чем обложные дожди. Они повреждают растения, вызывают полегание посевов и трав, уплотняют почву. Продолжительные дожди ухудшают условия уборки, в период цветения растений ухудшают условия 17 оплодотворения. Длительное отсутствие осадков вызывает засуху. К твердым осадкам относят снег, снежную крупу, ледяную крупу, ледяной дождь, град; к смешанным осадкам – мокрый снег. Снежный покров характеризуется высотой в сантиметрах, плотностью в г/см3, характером залегания, запасом воды. Плотность снега определяется по формуле 5n n d , 50h 10h где n – запас воды в снеге, мм; h – высота снежного покрова, см. Для сохранения и увеличения снежного покрова применяют снежные мелиорации: 1) снегозадержание на полях с помощью специальных щитов; 2) снегопахота с помощью специальных устройств (т. е. на полях в снегу делают борозды или углубления для накопления снега); 3) высокая стерня или стебли растений, оставленные на полях на зиму для накопления снега; 4) посадка лесополос для задержания и накопления снега. Количество выпавших осадков измеряют толщиной слоя воды в миллиметрах, который образовался бы на поверхности, если бы этот слой не впитывался и не испарялся. В агрономических целях количество осадков в миллиметрах переводят в объем воды в метрах кубических, приходящийся на 1 га. Для этого необходимо количество осадков в миллиметрах умножить на 10. Интенсивностью осадков называется количество осадков в миллиметрах, выпадающих за минуту. Интенсивность осадков определяется по формуле r h , t где r – слой осадков, мм; t – время выпадения осадков, мин. Оценка условий увлажнения вегетационного периода. Оценка условий увлажнения вегетационного периода только по суммам осадков недостаточна для характеристики водных ресурсов территорий. Сумма осадков за период вегетации может быть одинаковой в ряде районов, но их значение для растений будет разным. Это зависит от испаряемости почвенной влаги, которая, в свою очередь, зависит от температурного режима данной территории. В южных районах испаряемость выше, чем в северных. Оценку влагообеспеченности местности производят с применением 18 гидротермического коэффициента Селянинова, вычисление которого приведено в теме 2 (задача 7, ж). Задачи 1. В течение 10 мин на поверхность земли выпало 4 мм осадков. Сколько воды пришлось на площадь, равную 1 га? 2. Один из сильнейших ливней прошел в Порто-Белло в Панаме 29 ноября 1911 г. Интенсивность ливня составила 12,6 мм/мин. Сколько воды пришлось на 1 м2 и на 1 га почвы? 3. При выпадении осадков в виде обложного дождя в течение 6 ч в осадкомере оказалось 6 мм осадков. Какова интенсивность дождя? 4. Масса взятой пробы снега составляет 240 г, а ее объем – 1200 см3. Сколько воды приходится на 1 га при условии равномерного залегания снежного покрова высотой 30 см? 5. Наибольшая высота снежного покрова, равная 110 см, наблюдалась в феврале. Какой слой воды образуется при таянии снега, если средняя плотность его составляет 0,2 г/см3? 6. Объем взятой пробы снега составляет 2200 см3, а объем воды, образовавшейся при таянии этой пробы снега – 550 см3. Какова плотность снега? 7. На поверхность земли выпало 3 мм осадков. Сколько воды пришлось на 1 га, 1 сотку, 1 м2? 8. При выпадении осадков в виде ливня в течение 30 мин в осадкомере оказалось 10 мм осадков. Какова интенсивность дождя? 9. Масса взятой пробы снега составляет 320 г, а ее объем – 800 см3. Какова плотность снега? 10. Высота снежного покрова равна 10 см. Какой слой воды образуется при таянии снега, если средняя плотность его составляет 0,4 г/см3? 5. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ Атмосфера имеет вес, поэтому все предметы, находящиеся на подстилающей поверхности, испытывают атмосферное давление. Атмосферное давление представляет собой силу, с которой столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы, давит на единицу земной поверхности. Первый ртутный барометр для измерения атмосферного давления создал Торричелли в 1643 году. Атмосферное давление измерялось высотой ртутного столба в трубке барометра в миллиметрах, так как давление атмосферы 19 удерживает столб ртути на определенной высоте. Но чтобы измерять давление в единицах силы, в 1930 году была установлена новая международная единица давления, названная бар (от древнегреч. барос – тяжесть): 1 бар = 750 мм рт. ст., тогда 1 мбар = 0,75 мм рт. ст. Но с 1980 года международной единицей измерения атмосферного давления является паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м2. В практических целях используют гектопаскаль (гПа). Учитывая, что существует одновременно несколько единиц измерения, необходимо знать соотношение между единицами атмосферного давления: 1 гПа = 1 мбар = 0,75 мм рт. ст. В различных географических точках на земном шаре атмосферное давление разное, оно может превышать или не достигать давления, которое считается нормальным. Нормальное атмосферное давление имеет значение 760 мм рт. ст., или 1013 гПа. В Республике Беларусь в большинстве дней в году наблюдается атмосферное давление несколько ниже этого значения – около 740 мм рт. ст. Атмосферное давление изменяется с высотой, это изменение характеризуют барической ступенью. Изменение атмосферного давления по горизонтали характеризуют горизонтальным барическим градиентом, который вычисляется по формуле Ð ÃÁÃ 100, n где Р – изменение давления на расстоянии n (в км) по горизонтали, гПа. Именно горизонтальный барический градиент вызывает движение воздуха в горизонтальном направлении, благодаря чему возникает ветер. Задачи 1. Значения давления, снятые с ленты барографа, равны 980,6 и 982,8 мбар. Перевести эти значения в ньютоны на метр квадратный (Н/м2) и в гектопаскали (гПа). 2. Атмосферное давление, равное 820,5 и 811,6 мм рт. ст., перевести в гектопаскали (гПа). 3. Какое давление в Н/м2 оказывает на 1 м2 земной поверхности столб воздуха, простирающийся до верхней границы, если отсчет по барометру составляет 1010 мбар? При решении задачи обратить внимание, что при таких условиях вес воздуха равен его давлению на 1 м2. 20 4. Определить высоту горы, если у ее подножия давление равно 1015 гПа, температура воздуха – 24,0 оС, на вершине горы давление – 990 гПа, температура – 16,0 °С. При решении задачи можно пользоваться приближенной формулой Бабинэ: t t 8000 2 ð ð0 1 0 2 Í , ð0 ð где р0 и р – давление воздуха соответственно на верхнем и нижнем уровнях; H – разность высот этих двух уровней или превышение одного пункта над другим, м; t0 и t – измеренная температура воздуха соответственно на нижнем и верхнем уровнях, °С; – коэффициент объемного расширения воздуха. 3,66 103 î Ñ1. 5. Вычислить барическую ступень у поверхности Земли при давлении 1000,0 гПа и температуре воздуха, равной –40 °С; 0 °С; 40 °С. На сколько метров надо переместиться по вертикали вблизи земной поверхности при обычных условиях, чтобы давление изменилось на 1 гПа? Когда – летом или зимой (днем или ночью) – давление с высотой уменьшается быстрее? Барическая ступень вычисляется по упрощенной формуле Бабинэ: 8000 1 t h , ðñò где t и рст – соответственно температура и давление воздуха в точке, для которой вычисляется барическая ступень. 6. На синоптической карте на двух станциях, расположенных на расстоянии 500 км, проходят изобары 995 и 990 гПа. Вычислить горизонтальный барический градиент (ГБГ). 7. Атмосферное давление, равное 740 и 770 мм рт. ст., перевести в гектопаскали (гПа), миллибары (мбар). 6. СКОРОСТЬ И НАПРАВЛЕНИЕ ВЕТРА Горизонтальное перемещение воздуха относительно земли называется ветром. Причиной возникновения ветра является неравномерное распределение атмосферного давления в 21 горизонтальном направлении. Для наглядного представления о распределении атмосферного давления на земном шаре на географических картах проводят линии, соединяющие точки с одинаковым давлением. Эти линии называются изобарами. Карты изобар показывают распределение давления на уровне моря. Воздух перемещается из области высокого давления в область пониженного давления. Скорость перемещения ветра зависит от величины барического градиента. Барический градиент – это вектор, характеризующий степень изменения атмосферного давления в пространстве. Горизонтальный барический градиент направлен по нормали к изобаре в горизонтальной плоскости, в сторону убывания давления. Горизонтальный барический градиент практически определяется падением давления в миллибарах на расстоянии, равном 1о меридиана, т. е. около 111 км (иногда берут 100 км). Чем больше барический градиент, тем больше скорость ветра. Однако движение воздуха не совершается в направлении градиента. Вследствие действия силы вращения Земли вокруг своей оси ветры отклоняются вправо в Северном полушарии и влево – в Южном полушарии. Кроме того, на движение воздуха оказывает влияние сила трения, действующая со стороны земной поверхности. Трение оказывает влияние как на величину, так и на направление ветра. Скорость ветра измеряют числом метров, которое воздушный поток проходит в секунду (м/с). Иногда ее выражают в километрах в час (км/ч) или в условных единицах – баллах. Направление ветра определяется той частью горизонта, откуда дует ветер, и выражается в румбах горизонта или в угловых градусах. Направление ветра в румбах горизонта определяют по 16-румбовой системе. Для обозначения румбов используют начальные буквы сторон света (рис. 6.1). При измерении направления в градусах принимают север за 0о, восток – 90о, юг – 180о, запад – за 270о. 22 Рис. 2 В Республике Беларусь в течение всего года преобладают ветры западного направления, причем летом – северо-западные, зимой – югозападные, осенью – западные, весной – юго-восточные. Скорость ветра в среднем составляет от 3 м/с в пониженных лесистых долинах до 4,5 м/с на открытых равнинах. Задачи 1. Как записать направление ветра в румбах и как его назвать, если воздушный поток движется: а) с севера на юг; б) с северо-запада на юго-восток; в) с юго-востока на северо-запад? 2. Выразить в градусах окружности следующие направления ветра: юго-западное (ЮЗ), северное (С), западное (З), северо-западное (СЗ) и северо-восточное (СВ). 3. Перевести в румбы направление ветра, выраженное следующими числовыми значениями: 22о, 180о, 135о, 315о и 270о. Какие углы точно совпадают с направлением румбов? 4. При измерении скорости ветра в саду на высоте 2 м пользовались ручным анемометром; показания счетчика за 100 с работы прибора равны 8735 и 9035. Определить скорость ветра в саду, если один оборот счетчика в секунду соответствует скорости ветра 1 м/с. 5. Построить розу ветров, данные взять из табл. 6.1. Т а б л и ц а 6.1. Преобладающие ветры (по месяцам) Месяц С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Январь Июль Март Ноябрь 3 9 7 12 7 8 10 6 35 13 5 8 11 5 25 4 6 6 20 5 10 10 15 14 20 33 8 20 8 16 5 8 Число штилей 7 9 0 0 ЛИТЕРАТУРА 1. Изменения климата Беларуси и их последствия / под общ. ред. В. Ф. Логинова. – Минск: Тонпик, 2003. – 234 с. 2. К а ў р ы г а, П. А. Метэаралогiя / П. А. Каўрыга. – Мiнск: БДУ, 2005. – 232 с. 3. Ч и р к о в, Ю. А. Агрометеорология / Ю. А. Чирков. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 247 с. 23 ЛИТЕРАТУРА (основы агрометеорологии) Основная 1. Изменения климата Беларуси и их последствия /под общ. ред.В.Ф. Логинова .- Мн.: Тонпик, 2003. 2. К а ў р ы г а, П. А. Вучэбная практыка па метэаралогii i клiматалогii /П. А. Каўрыга. –Мн.: БДУ, 1995. 3. К а ў р ы г а, П. А. Характарыстыка клiмату Беларусi /П. А. Каўрыга. –Мн.: БДУ, 1996. 4. К а ў р ы г а, П. А. Метэаралогiя /П. А. Каўрыга.- Мн.: БДУ, 2005. 5. К а ў р ы г а, П. А. Лабараторны практыкум па метэаралогii i клiматалогii П.А. Каурыга. Мн.: Ураджай, 1997. 24 6. К и р и л е н к о, Л. Е. Метеорологические явления, опасные для сельского хозяйства: Лекция /Л. Е. Кириленко. – Горки, 2005. 7. Климат Беларуси: под ред. В. Ф. Л о г и н о в а. Мн., 1996. 8. Л о с е в, А. П. Агрометеорология /Л. Л. Журина. –Мн.: Колос, 2004. 9. Л о с е в, А. П. Сборник задач и вопросов по агрометеорологии / А.П. Лосев –Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 10. П а в л о в а, М. Д. Практикум по агрометеорологии / М. Д. Павлова. –Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 11. Р а ж к о ў, Л. М. Экалогiя з асновамi метэаралогii /Л. М. Ражкоў. – Мн.: Ураджай, 1995. 12. Р а ж к о ў, Л. М. Экалогiя з асновамi метэаралогii. Лабараторны практыкум /Л. М. Ражкоў.- Мн.: БДТУ, 2007. 13. Ч и р к о в, Ю. А. Агрометеорология /Ю. А. Чирков. –Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 14. Х р о м о в, С. П. Метеорология и климатология /С. П. Хромов, А. Д. Петросянц. – М., 1994. Дополнительная 1. Г о л ь б е р г, М.А. Опасные явления погоды и урожай /Г. В .Волобуева, А. А. Фалей .– Мн.: Ураджай, 1988. 2. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 2.: Агрометеорологические наблюдения на станциях и постах. Часть 1: Основные метеорологические наблюдения. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 3. Руководство по агрометеорологическим прогнозам. Том 2. Технические, овощные, плодовые, субтропические культуры, травы, 25 пастбищная растительность, отгонное животноводство. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Среднемесячная температура воздуха и количество осадков Т а б л и ц а 1. Брест ( 52î 05; 23î 40) Месяцы Число дней Среднемесячная температура Месячная сумма осадков, мм Среднесуточное количество осадков, мм Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август 31 28 31 30 31 30 31 31 –4,3 –3,4 +0,9 +7,3 13,7 16,6 18,6 17,2 24 26 26 44 51 67 79 75 0,77 0,93 0,84 1,47 1,65 2,23 2,54 2,41 26 Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь 30 31 30 31 13,2 7,7 1,9 –2,2 40 40 35 33 1,38 1,27 1,17 1,06 Т а б л и ц а 2. Горки ( 54î 17; 30î 59) Месяцы Число дней Среднемесячная температура Месячная сумма осадков, мм Среднесуточное количество осадков, мм Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31 –8,1 –7,6 –3,5 4,5 12,3 15,5 17,6 15,9 11,0 5,1 –0,9 –5,9 30 27 28 38 50 74 86 77 52 47 39 31 0,97 0,96 0,90 1,27 1,63 2,47 2,77 2,48 1,70 1,51 1,30 1,00 Т а б л и ц а 3. Гомель ( 52î 26; 31î 00) Месяцы Число дней Среднемесячная температура Месячная сумма осадков, мм Среднесуточное количество осадков, мм Январь 31 –6,7 29 0,93 Февраль 28 –6,2 27 0,97 Март 31 –1,5 29 0,96 Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь 30 31 30 31 31 30 31 30 6,4 14,2 17,0 19,0 17,4 12,6 6,4 0,8 41 52 60 102 62 50 43 33 1,37 1,66 2,00 3,29 2,00 1,66 1,66 1,27 Декабрь 31 –4,5 36 1,16 27 Т а б л и ц а 4. Минск ( 53î 54; 27î 34) Месяцы Число дней Среднемесячная температура Месячная сумма осадков, мм Среднесуточное количество осадков, мм Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31 –6,6 –6,2 –2,1 5,1 12,5 14,0 16,0 15,9 11,4 5,7 –0,2 –4,7 36 36 36 44 55 84 88 83 54 44 49 41 1,16 1,28 1,18 1,47 1,78 2,80 2,84 2,68 1,80 1,42 1,63 1,32 Приложение 2 Давление насыщенного водяного пара Ев над плоской поверхностью чистой воды при разных температурах (гПа) t, оC Десятые Целые 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10 12,3 12,4 12,4 12,5 12,6 12,7 12,8 12,9 13,0 13,0 11 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 13,6 13,7 13,8 13,8 13,9 12 14,0 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7 14,8 14,9 13 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 15,5 15,6 15,7 15,8 15,9 14 16,0 16,1 16,2 16,3 16,4 16,5 16,6 16,7 16,8 17,0 15 17,1 17,2 17,3 17,4 17,5 17,6 17,7 17,8 18,0 18,1 16 18,2 18,3 18,4 18,5 18,7 18,8 18,9 19,0 19,1 19,3 17 19,4 19,5 19,6 19,8 19,9 20,0 20,1 20,3 20,4 20,5 18 20,6 20,8 20,9 21,0 21,2 21,3 21,4 21,6 21,7 21,8 19 22,0 22,1 22,2 22,4 22,5 22,7 22,8 23,0 23,1 23,2 28 20 23,4 23,5 23,7 23,8 24,0 24,1 24,3 24,4 24,6 24,7 21 24,9 25,0 25,2 25,4 25,5 25,7 25,8 26,0 26,1 26,3 22 26,5 26,6 26,8 26,9 27,1 27,3 27,4 27,6 27,8 27,9 23 28,1 28,3 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,3 29,5 29,7 24 29,9 30,0 30,2 30,4 30,6 30,8 31,0 31,1 31,3 31,5 25 31,7 31,9 32,1 32,3 32,5 32,7 32,9 33,0 33,2 33,4 26 33,6 33,8 34,0 34,2 34,4 34,6 34,9 35,1 35,3 35,5 27 35,7 35,9 36,1 36,3 36,5 36,8 37,0 37,2 37,4 37,6 28 37,8 38,1 38,3 38,5 38,7 39,0 39,2 39,4 39,6 39,9 29 40,1 40,3 40,6 40,8 41,0 41,3 41,5 41,8 42,0 42,2 30 42,5 42,7 43,0 43,2 43,5 43,7 44,0 44,2 44,5 44,7 СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………………………. 1. Солнечная радиация…………………………………………………………………..... 2. Температурный режим воздуха………………………………………………………… 3. Влажность воздуха……………………………………………………………………… 4. Атмосферные осадки……………………………………………………………………. 5. Атмосферное давление…………………………………………………………………. 6. Скорость и направление ветра………………………………………………………… Литература…………………………………………………………………………………. Приложения………………………………………………………………………………… 29 3 4 6 12 14 16 18 20 21 Учебное издание Кириленко Людмила Еруслановна 30 Астахова Ольга Максимовна Цвыр Андрей Васильевич АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ Методические указания к практическим занятиям Редактор Н. Н. Пьянусова Технический редактор Н. Л. Якубовская Подписано в печать 29.11.2012. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Гарнитура «Таймс». Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,78. Тираж 75 экз. Заказ . УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия». ЛИ № 02330/0548504 от 16.06.2009. Ул. Студенческая, 2, 213407, г. Горки. Отпечатано в УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия». Ул. Мичурина, 5, 213407, г. Горки. 31