Гидрология, климатология и метеорология

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный аграрный университет

Имени Н. И. Вавилова»

ГИДРОЛОГИЯ, КЛИМАТОЛОГИЯ И МЕТЕОРОЛОГИЯ

Краткий курс лекций

для студентов II курса

Направление подготовки

Природообустройство и водопользование»

Профиль подготовки

«Комплексное использование и охрана водных ресурсов»

«Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

«Противопожарное обустройство территорий»

Саратов 2013

УДК [551.5+556] (075.8)

ББК 26.22я73+26.23я73

Б81

 

 

Рецензенты:

 

кандидат с/х наук, доцент,

зав. лабораторией агрометеорологии ГНУ НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии

Н. Г. Левицкая

к. с/х. н., доцент, зав. кафедрой «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» факультета «Природообустройство и лесное хозяйство

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

А. Н. Никишанов

 

Б81

Гидрология, климатология и метеорология:краткий курс лекций для студентов II курса специальности (направления подготовки) 280100.62 «Природообустройство и водопользование» / Сост.: Ю. В. Бондаренко // ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2013. - 110 с.   Краткий курс лекций по дисциплине «Гидрология, климатология и метеорология» составлен в соответствие с рабочей программой дисциплины и предназначен для студентов направления подготовки 280100.62 «Природообустройство и водопользование». Краткий курс лекций содержит сведения по гидрологии, климатологии и метеорологии, которые в настоящее время являются чрезвычайно актуальными и приобретают все большее значение и остроту. Излагаются основные закономерности формирования поверхностного стока с водосборов и методы определения гидрологических характеристик при разном объеме гидрометрической информации. Представлены основные этапы выполнения гидрологических расчетов при проектировании объектов водохозяйственного строительства. Для эффективной самостоятельной работы студентов широко представлена теоретическая часть с достаточным количеством иллюстраций и расчетная, где излагается порядок расчетов.

 

УДК [551.5+556] (075.8)

ББК 26.22я73+26.23я73

Б81

 

 

© Бондаренко Ю. В., 2013

© ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2013

Введение

Гидрология, климатология и метеорология принадлежат к циклу наук о Земле. Климатология - наука, изучающая вопросы климатообразования, описания и классификации климатов на основе многолетнего режима погоды, обусловленного географическим положением местности и совокупности воздействия метеорологических величин. Метеорология изучает атмосферу и происходящие в ней физические процессы. Метеорологические наблюдения производят с целью получения сведений о погодных условиях в интересуемый момент времени в заданном районе, их использования для прогнозов погоды различной заблаговременности, а также изучения климата, его колебаний и возможных изменений. Гидрология изучает гидросферу, её свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимодействии с атмосферой, литосферой и биосферой.

По определению перечисленные дисциплины решают свои, сугубо частные, вопросы в общем комплексе наук о Земле. Но вместе с тем, они настолько взаимосвязаны, настолько взаимно обуславливают друг друга, что без знания основных положений и закономерностей одной из них трудно рассчитывать на успех в изучении двух других. Инженерная гидрометеорология представляет собой объединенную дисциплину, занимающуюся разработкой методов и способов получения расчетных гидрометеорологических характеристик, наиболее важных для проектирования.

 

 

Лекция 1

ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСА «КЛИМАТОЛОГИЯ И МЕТЕОРОЛОГИЯ»

Предмет и задачи курса «Климатология и метеорология»

 

Наука, изучающая закономерности формирования климатов в различных географических районах и климатический режим различных стран и регионов называется климатологией.

Метеорологией называется наука о земной атмосфере и физических процессах, происходящих в атмосфере.

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов, составляющих воздух.

Физическое состояние атмосферы в данный момент времени, в данном месте называется погодой. Величины, характеризующие физическое состояние атмосферы, называются метеорологическими элементами. К ним относятся: температура, влажность и давление воздуха, направление и скорость ветра, облачность, количество и интенсивность осадков, различные метеорологические явления (туманы, осадки, облака, грозы, шквалы, заморозки, метели, гололед и т.д.).

Основная задача метеорологии – изучение атмосферных явлений путем накопления данных об их изменениях в пространстве и времени.

Промежуточные задачи метеорологии сводятся к следующему:

1) получение точных данных, характеризующих атмосферные процессы и явления;

2) объяснение атмосферных процессов и явлений, т.е. установление законов, управляющих их развитием;

3) использование найденных закономерностей для разработки методов прогнозирования атмосферных процессов;

4) применение найденных закономерностей развития атмосферных процессов для активной борьбы с опасными метеорологическими явлениями и более полного использования сил природы в практической деятельности человека.

Средний многолетний режим погоды на данной территории называется климатом. Для его характеристики используются средние многолетние данные о температуре, осадках, влажности воздуха и почвы, повторяемости и вероятности тех или иных явлений и т. д.

Для получения оперативной гидрометеорологической информации в каждой стране существует государственная сеть метеорологических станций, ведущих наблюдения по возможности однотипными приборами, по единой методике, в определенные часы суток.

В России руководство системой наблюдений осуществляет Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

В настоящее время наземная подсистема получения информации в России включает более 3000 метеорологических станций и обсерваторий, ведущих круглосуточные наблюдения (8 раз в сутки) по обширным программам и около 8000 постов, ведущих наблюдения по сокращенным программам. В труднодоступных районах установлено более 350 автоматических радиометеорологических станций. На акватории морей и океанов наблюдения ведутся на специальных судах и судах торгового и рыболовного флота.

Космическая подсистема «Метеор» включает 2-3 спутника, обращающихся по круговым орбитам на высоте 900 км и наземные пункты приема информации. Количество информации, поступающей со спутников огромно: за сутки 2 спутника передают такой объем информации, какой поступает за полгода со всех наземных станций мира.

Первичная метеорологическая информация передается в территориальные, региональные и мировые центры данных, где она обрабатывается и в соответствующем виде передается различным потребителям.

Россия является членом Всемирной метеорологической организации (ВМО). В рамках этой организации организована Всемирная служба погоды (ВСП). В систему ВСП входят три мировых центра (Москва, Вашингтон, Мельбурн) и 25 региональных центров.

ВМО приняты и разрабатываются ряд крупнейших научных программ по исследованию глобальных атмосферных процессов, по глобальному потеплению климата и т.д., которые выполняются многими странами с привлечением большого числа ученых и с использованием огромного количества технических средств по сбору и обработке информации.

 

Состав и строение атмосферы

 

В составе атмосферного воздуха преобладают азот (78%) и кислород (21%). 0,93% занимает аргон, 0,03% занимает СО₂ и менее 1% приходится на неон, ксенон, криптон, гелий, водород и др. газы.

Помимо постоянных газов в воздухе всегда содержится водяной пар и различные примеси – газы и аэрозоли.

С высотой в составе атмосферного воздуха начинают преобладать легкие газы – гелий и атомарный водород. Из наблюдений с помощью спутников и ракет установлено, что атмосфера простирается, при все убывающей плотности, до высоты более 20 тысяч км.

В вертикальном направлении атмосферу делят на пять основных слоев, отличающихся характером изменения температуры воздуха с высотой. Эти слои называются: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Основные атмосферные слои разделяются переходными слоями относительно небольшой вертикальной протяженности под названием тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает климатология?

2. Что изучает метеорология?

3. Основные задачи метеорологии?

4. Что такое климат?

5. Организация гидрометеорологических наблюдений в РФ.

6. Что такое атмосфера?

7. Состав и вертикальное строение атмосферы.

8. Основные свойства атмосферы.

9. Состав и строение атмосферы.

 

Список литературы

Основная

1. Захаровская, Н. Н. Метеорология и клим

атология [Текст] / Н. Н. Захаровская, В. В. Ильинич. – М.: Колос, 2005. - 127 с. - ISBN5-9532-0136-2.

2. Хромов, С. П. Метеорология и климатология [Текст] / Хромов С. П., Петросянц М. А. – 6-е изд., перераб. и доп. - М.: МГУ, 2004. - 582 с. - ISBN 5-211-04847-4. - ISBN 5-9532-0267-9.

 

Дополнительная

1. Бондаренко, Ю. В. Методы полевых гидрологических и метеорологических исследований. [Текст]: учеб. пособие / Ю. В. Бондаренко. – 2-е изд. доп. и исп. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2011. – 202 с. - ISBN 978-5-9999-0885-8.

2. СНиП 23-01-99. Строительная климатология [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1999.

3. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1997 г.

4. Желудкова, С. В. Метеорология и климатология. [Текст]: метод. указания к расчетно-графическим работам./ С. В. Желудкова, Д. С. Майорова. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010. – 68 с.

5. Левицкая Н. Г. Основы агрометеорологии. [Текст]: учеб. пособие. / Н. Г. Левицкая, Ю. В. Бондаренко. – Саратов.: Саратовский источник, 2012. – 150 с. - ISBN978-5-91879-163-9.

6. Бондаренко, Ю. В. Метеорологические наблюдения (Организация, производство, анализ). [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Желудкова С. В., Левицкая Н. Г., Киселева Ю. Ю. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2012. – 61 с.

7. Бондаренко, Ю. В. Климатология, метеорология и гидрология. [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Афонин В. В., Желудкова С. В. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010 – 183 с.

8. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

- электронная библиотека СГАУ - http://library.sgau.ru;

- научная электронная библиотека - http://еlibrary.sgau.ru/;

- электронные данные Росгидромета: http://meteorf.ru;

- электронные данные Государственного гидрологического института - http://www.hydrology.ru.

 

ЛЕКЦИЯ 2

Тепловой режим атмосферы

 

Тепловой режим атмосферы определяется, прежде всего, теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой.

Теплообмен осуществляется следующими путями:

1 – радиационным путем за счет поглощения солнечной радиации, излучения земной поверхности и других слоев атмосферы;

2- путем теплопроводности: молекулярной между воздухом и земной поверхностью и турбулентной внутри атмосферы;

3 – в результате процессов конвекции и испарения;

4 – в результате адвекции;

5 – адиабатически – при изменении атмосферного давления.

В основном воздух нагревается от земной поверхности. Поэтому, чем дальше от источника тепла, тем воздух холоднее, т.е. с высотой температура воздуха уменьшается. Если вверх поднимается сухой воздух, то температура его уменьшается с сухоадиабатическим градиентом γ = 10/100 м, если влажный, то с влажноадиабатическим γ = 0,70/100 м.

Явление обратного хода температуры воздуха с высотой называется инверсией. Инверсионные слои могут наблюдаться как у поверхности земли, так и быть приподнятыми. Они называются «запирающими слоями» и играют отрицательную роль в экологии крупных городов.

 

ЛЕКЦИЯ 3

Прогнозы погоды

Хозяйственная деятельность человека в любой отрасли народного хозяйства зависит от погоды. Особенно это касается с/х производства, которое отличается от других сфер производства чрезвычайно сильной зависимостью от погодных условий, недаром его называют цехом под открытым небом. Правильный учет погодных условий позволяет получить максимальный экономический эффект и свести к минимуму ущерб от неблагоприятных явлений погоды.

Прогнозы подразделяются на краткосрочные (сутки - трое суток), долгосрочные (месяц) и сверхдолгосрочные - на сезон.

При краткосрочном прогнозировании используется в основном синоптический метод, базирующийся на составлении синоптических карт регионов и на их последующем анализе. Синоптические карты составляются по данным наблюдений метеорологических станций за определенный срок наблюдений, которые в зашифрованном виде передаются в центры службы погоды. Вся эта информация о температуре, атмосферном давлении, осадках, высоте облаков, скорости и направлении ветра цифрами и условными знаками наносится на синоптическую карту, которые составляются 4 раза в сутки. Затем эти карты подвергают обработке: проводят изобары, выявляют расположение барических систем и их центров, расположение атмосферных фронтов, выделяются зоны облачности и осадков. Обработанная синоптическая карта дает представление о фактической погоде на больших площадях земного шара. Кроме приземных карт составляются также и карты для разных высот в атмосфере (высотные карты).

Сопоставление вновь составленных синоптических карт с предыдущими картами и дает возможность проследить перемещение и эволюцию циклонов и антициклонов, атмосферных фронтов и с той или иной вероятностью наметить пути и скорости их перемещения на ближайшее время. С учетом этого и делается заключение об ожидаемой погоде в рассматриваемом районе. Краткосрочный прогноз погоды составляется также 4 раза в сутки на 18-36 часов.

Большое значение для анализа и прогноза погоды и повышения их качества имеет использование спутниковой информации и различных динамических или численных методов.

В настоящее время оправдываемость краткосрочных прогнозов достаточно велика и составляет 80-90%.

В отличие от краткосрочных прогнозов, проблема долгосрочных прогнозов погоды остается чрезвычайно сложной и нерешенной. Наибольшее распространение из множества испытанных методов получил прием подбора аналогов, предполагающий, что если предыдущие условия погоды в текущем году сходны с погодой года-аналога, то и последующее развитие погоды будет сходным, а, следовательно, и погода в будущем окажется примерно такой же как в году-аналоге. Однако метод этот не свободен от грубых ошибок и оправдываемость долгосрочных прогнозов в среднем составляет около 70%.

 

Опасные явления погоды

 

К числу опасных гидрометеорологических явлений относятся заморозки, засухи, суховеи, пыльные бури, град.

Заморозками называют понижения температуры воздуха до нуля градусов и ниже на фоне положительных среднесуточных температур весной и осенью. Заморозки могут наблюдаться как в воздухе, так и на почве.

По условиям образования заморозки разделяются на радиационные, адвективные и адвективно-радиационные.

Радиационные заморозки возникают вследствие охлаждения деятельной поверхности и прилегающих слоев воздуха из-за большого эффективного излучения. Они обычно образуются в тихую ясную погоду ночью, редко бывают сильными и с восходом Солнца быстро исчезают.

Адвективные заморозки образуются в результате вторжения холодных воздушных масс (обычно арктических воздушных масс). Адвективные заморозки могут обусловить резкое и сильное понижение температуры воздуха. Они могут начаться в любое время суток и длиться непрерывно несколько суток подряд. Часто эти заморозки наблюдаются при большой облачности и сильном ветре.

Адвективно-радиационные заморозки возникают при адвекции холодного воздуха, охлаждение которого усиливается большим эффективным излучением. Наиболее сильными эти заморозки бывают ночью при ясной погоде. При радиационных и адвективно-радиационных заморозках всегда образуются приземные инверсии температуры.

Засуха – это агрометеорологическое явление, вызывающее резкое несоответствие между потребностью растений во влаге и её поступлением из почвы, вследствие недостаточного количества осадков и повышенной испаряемости. В результате этого несоответствия снижаются урожаи сельскохозяйственных культур, а при длительных и интенсивных засухах растения могут погибнуть до формирования урожая.

Почвенная засуха характеризуется отсутствием физиологически доступной растениям влаги в почве.

Суховей – это сложное метеорологическое явление, характеризуемое низкой относительной влажностью воздуха (менее 30%) в сочетании с высокой (выше 25⁰) температурой воздуха и скоростью ветра не менее 5 м/с.

Под воздействием суховея нарушаются такие физиологические процессы, как фотосинтез, дыхание, углеводный и белковый обмен, что также приводит к снижению продуктивности растений.

Для борьбы с засухами и суховеями в практике сельскохозяйственного производства применяются разнообразные способы, которые направлены на снижение несоответствия между потребностью растений во влаге и фактической влагообеспеченностью. Эти способы включают все виды орошения, снегозадержание, полезащитное лесоразведение, известные приемы обработки почвы, мульчирование почвы, варьирование сроками посева и т.д.

Пыльной бурей называется перенос большого количества пыли или песка сильным ветром (более 10 м/с). Это типичное явление пустынь и степей. Комплекс факторов, увеличивающих вероятность возникновения пыльной бури, включает иссушенность верхнего горизонта почвы, отсутствие растительного покрова на полях и низкая относительная влажность воздуха. Поэтому наибольшая вероятность пыльных бурь отмечается весной и летом. Значительно реже пыльные бури наблюдаются и зимой.

Для защиты почвы от ветровой эрозии широко используется посадка древесно-кустарниковых форм в виде полос поперек господствующего направления ветра. Полезащитные лесные полосы уменьшают скорость ветра, способствуют накоплению снега в зимний период, чем в значительной мере улучшают влагообеспеченность посевов.

Значительный ущерб сельскому хозяйству могут нанести град и сильные ливни.

Град – это твердые осадки, выпадающие в теплое время года из мощных кучево-дождевых облаков, в виде частичек плотного льда различных, иногда крупных размеров. Град всегда наблюдается при грозе, обычно вместе с ливневым дождем и выпадает полосами. Интенсивный град может уничтожать посевы, сильно повреждать насаждения.

Для проведения противоградовых работ организуются противоградовые отряды, работа которых сокращает убытки от града на защищаемой территории на 50-70%.

Сильные ливни за сутки могут дать 80-100 мм осадков. На Европейской части страны интенсивные ливни часто вызывают полегание зерновых культур на 20-30% посевных площадей, а в отдельные годы – на 80%. При полегании ухудшается налив зерна, затрудняется уборка и увеличиваются потери урожая.

Сильные ливневые дожди не успевают проникнуть в почву и большая их часть стекает, смывая верхние плодородные слои почвы со склонов и вызывая водную эрозию.

Для борьбы с водной эрозией укрепляют овраги, проводят террасирование, сажают леса, проводят задержание талых вод. Обработку почвы и посев проводят поперек склона, на эрозионно опасных склонах размещают многолетние травы.

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Атмосферное давление и его изменение с высотой.

2. Понятие барической ступени.

3. Циклоны и антициклоны. Погода, которую определяют они зимой и летом.

4. Ветер и воздушные течения в атмосфере.

5. Понятие общей циркуляции атмосферы.

6. Воздушные массы и атмосферные фронты.

7. Понятие синоптической карты.

8. Прогнозы погоды.

9. Опасные явления погоды.

10. Виды заморозков по условиям образования.

Список литературы

Основная

Основная

1. Захаровская, Н. Н. Метеорология и клим

атология [Текст] / Н. Н. Захаровская, В. В. Ильинич. – М.: Колос, 2005. - 127 с. - ISBN5-9532-0136-2.

2. Хромов, С. П. Метеорология и климатология [Текст] / Хромов С. П., Петросянц М. А. – 6-е изд., перераб. и доп. - М.: МГУ, 2004. - 582 с. - ISBN 5-211-04847-4. - ISBN 5-9532-0267-9.

 

Дополнительная

1. Бондаренко, Ю. В. Методы полевых гидрологических и метеорологических исследований. [Текст]: учеб. пособие / Ю. В. Бондаренко. – 2-е изд. доп. и исп. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2011. – 202 с. - ISBN 978-5-9999-0885-8.

2. СНиП 23-01-99. Строительная климатология [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1999.

3. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1997 г.

4. Желудкова, С. В. Метеорология и климатология. [Текст]: метод. указания к расчетно-графическим работам./ С. В. Желудкова, Д. С. Майорова. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010. – 68 с.

5. Левицкая Н. Г. Основы агрометеорологии. [Текст]: учеб. пособие. / Н. Г. Левицкая, Ю. В. Бондаренко. – Саратов.: Саратовский источник, 2012. – 150 с. - ISBN978-5-91879-163-9.

6. Бондаренко, Ю. В. Метеорологические наблюдения (Организация, производство, анализ). [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Желудкова С. В., Левицкая Н. Г., Киселева Ю. Ю. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2012. – 61 с.

7. Бондаренко, Ю. В. Климатология, метеорология и гидрология. [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Афонин В. В., Желудкова С. В. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010 – 183 с.

8. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

- электронная библиотека СГАУ - http://library.sgau.ru;

- научная электронная библиотека - http://еlibrary.sgau.ru/;

- электронные данные Росгидромета: http://meteorf.ru;

- электронные данные Государственного гидрологического института - http://www.hydrology.ru.

ЛЕКЦИЯ 4

Классификация климатов

 

Климатообразующие процессы Земли, действуя в различной географической обстановке, создают самые различные климатические условия. Однако распределение отдельных характеристик климата, таких как средняя температура воздуха, сумма осадков и пр., обнаруживает определенные географические закономерности: зависимость от широты, континентальности положения, орографии и пр. Очевидно, что и типы климата, т.е. сочетания этих характеристик в каких-то выбранных интервалах их значений, также должны распределяться по земному шару не хаотически, а упорядоченно, в зависимости от тех же факторов.

Для того чтобы ориентироваться в многообразии климатических условий на Земле, нужно выделить какие-то типы климатов и изучить их распределение по земной поверхности. Другими словами нужно построить классификацию климатов и осуществить климатическое районирование территории на основе этой классификации.

На основании всего, что нам уже известно, можно сказать заранее, что в распределении климатов существует более или менее ясно выраженная зональность, но эта зональность будет сильно нарушаться влиянием азональных факторов.

До настоящего времени было предложено большое количество классификаций климата, как для всего земного шара, так и для отдельных его частей. При выделении типов климата разные авторы исходили из разных критериев. Рассмотрим кратко классификацию Л. С. Берга, на основе которой выделяются географические климатические зоны.

 

ЛЕКЦИЯ 5

Предмет гидрологии

 

Изучением природных вод Земного шара занимается обширная наука – гидрология. Слово гидрология происходит от сочетания двух греческих слов: гидро (вода) и логос (наука), т.е. наука о воде.

Термин «гидрология» впервые появился в конце 17 века в книге Мельхиора (Франкфурт - на Майне), которая содержала «начало учения о водах». Определение же гидрологии как науки появилось во второй половине 18 века: П. Варгентин считал, что гидрология «есть полезная и нужная часть натуральной истории». Впоследствии было дано много определений гидрологии как науки. Утвердилось и используется в настоящее время следующее: гидрология – наука, занимающаяся изучением гидросферы, явлений и процессов в ней протекающих во взаимосвязи с атмосферой, литосферой и биосферой.

Предметом изучения гидрологии являются водные объекты - океаны, моря, реки, озера, водохранилища, болота, ледники, почвенные и подземные воды.

В связи со специфическими особенностями объектов и методов их изучения гидрология разделяется на три самостоятельные дисциплины: океанологию, гидрологию поверхностных вод суши и гидрогеологию.

В настоящем курсе предусмотрено изучение гидрологии поверхностных вод суши.

По направленности и методам исследований в гидрологии выделяются следующие крупные разделы: общая гидрология, изучающая сущность и закономерности гидрологических процессов и явлений; гидрография, использующая методы описания конкретных водных объектов (географическое положение, размеры и т. п.), гидрометрия, рассматривающая методы и приборы при изучении гидрологического режима вод, инженерная (прикладная) гидрология, занимающаяся решением инженерных задач в проектировании строительстве, комплексном и рациональном использовании водных ресурсов.

 

Тепловой и водный балансы

Водные ресурсы Земли

 

Водные ресурсы как природная категория – это все природные воды Земли, представленные водами рек, озер, водохранилищ, болот, ледников, водоносных горизонтов, морей и океанов. Водные ресурсы Земли в таком понимании представлены в таблице 5. 3. 1.

 

Таблица 1. Запасы воды на земном шаре

Виды природных вод	Площадь	Объем, тыс. км^3	Доля в мировых запасах, %	Средний период условного возобновления запасов воды
млн. км^2	% площади суши	от общих запасов воды	От запасов пресных вод
Вода на поверхности литосферы
Мировой океан   Ледники и постоянный снежный покров   Озера в том числе пресные   Водохранилища   Вода в реках   Вода в болотах	16,25     2,1 1,2   0,4   -   2,7	-     10,9     1,4 0,8   0,3   -   1,8		96,4     1,86     0,013 0,007   0,0004   0,0002   0,0008	-     70,2 -   0,25 0,016   0,005   0,03	2650 лет     9700 лет     17 лет -   52 дня   19 дней   5 лет
Вода в верхней части литосферы
Подземные воды в том числе пресные   Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород	- -   2,1	- -		1,68 0,76   0,022	- -   0,82	1400 лет -   10000 лет
Вода в атмосфере и в организмах
Вода в атмосфере   Вода в организмах	-   -	-   -		0,001   0,0001	0,04   0,003	8 дней   Несколько часов
Общие запасы воды
Общие запасы воды в том числе пресной	- -	- -	36 730	2,65	-	- -

Площадь поверхности Земли 510 млн. км². Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361 млн. км² (71 %), а площадь суши составляет 149 млн. км². Общая площадь водных объектов на поверхности суши составляет 21,5 млн км², или 14,4 % площади суши.

Таким образом, общая площадь водных объектов на поверхности Земли составляет: 361 млн. км² (океаны и моря) + 21,5 млн. км² (водные объекты суши, включая ледники) = 382,5 млн. км², т. е. 75% или 3/4 поверхности планеты.

Общий объем воды в водных объектах на земном шаре около 1390 млн. км³ при этом на долю Мирового океана приходится 96,4 % (табл. 5. 3. 1). Из этого количества лишь 2,65 % (36,7 млн. км³) приходится на долю пресных вод, большая часть которых (71 %) представлена твердой фазой (льдом).

Водные ресурсы как природная и социально - историческая категория - это: «… запасы поверхностных и подземных вод, находящихся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы».

В такой трактовке наибольший интерес представляют пресные воды, объем которых составляет лишь 2,65 % (36,7 млн. км³) от общего запаса воды на Земле. Ресурсы пресных вод складываются из статических (вековых) запасов воды и из непрерывно возобновляемых водных ресурсов, т. е. стока рек.

Запасы пресных вод всех континентов, за исключением Антарктиды, составляют около 15 млн. км³, но распределены они между континентами неравномерно. Наибольшими статическими ресурсами обладают Северная Америка и Азия, несколько меньшими – Южная Америка и Африка и наименее богаты пресными водами Европа и Австралия с Океанией.

Возобновляемые водные ресурсы также распределены по земному шару неравномерно: на Азию приходится 32 % стока всех рек планеты, на Южную Америку – 26 %, на Европу – 7 % и на Австралию с Океанией 5 %.

Из стран мира наиболее обеспечены речными водными ресурсами Бразилия – 9230, Россия – 4348, США -2850, Китай -2600 км³ воды в год.

Несмотря на благоприятное в целом состояние возобновляемых водных ресурсов России, в целом ряде районов имеются серьезные проблемы с водообеспечением населения и хозяйства. Эти проблемы связаны с крайне неравномерным распределением водных ресурсов по территории страны, с большой их временной изменчивостью и высокой загрязненностью вод. Хорошо обеспечены водой Сибирский и Дальневосточный федеральные округа, в меньшей степени – Уральский и Северо – Западный, хуже всего - Приволжский, Центральный и Южный.

 

Круговорот воды в природе

Когда впервые был определен объем всех русловых речных вод Земли (0,0002 % гидросферы), удивительным казалось, что столь малый объем служит началом формирования почти всех источников пресных вод, доступных для использования.

Происходит же это благодаря удивительному природному процессу, называемому круговоротом воды (влагооборотом).

Причина неиссякаемости источников с древних времен интересовала людей. Натурфилософ Греции Фалес Милетский в IV веке до н. э. считал, что морская вода вгоняется в земные недра, поднимается по горным породам вверх и, образуя источники, по речным руслам стекает в низ. Но уже Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.) был близок к пониманию влагооборота, а Тит Лукреций Кар в I веке до н. э. в художественной форме описал процесс круговорота воды.

В настоящее время под круговоротом воды (влагооборотом) понимают постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, переноса водяного пара в атмосфере, выпадения осадков и стока.

Различают:

1. Малый или океанический круговорот, когда испарившаяся с поверхности океана вода конденсируется в воздухе и снова возвращается в океан.

2. Большой круговорот, включающий оставшуюся часть воды, выпадающую на материки и поступающую вновь в океан.

Большой круговорот включает местный или внутриматериковый влагооборот – процесс испарения и осаждения внутри материков влаги, переносимой с океана на сушу. Эта влага, прежде чем вернуться в океан, совершает несколько оборотов, снабжая влагой территории, далеко отстоящие от океана. Чем интенсивней проходит влагооборот и длительнее пребывание воды на материке, тем эффективнее ее можно использовать в экономике страны. В пределах России эти осадки не превышают 10% общего количества влаги, поступающей с океанов.

Выделяют области внешнего стока – часть суши (78 %), с которой реки несут свои воды в Мировой океан, и внутреннего стока – часть суши, с которой вода поступает в замкнутые водоемы, не сообщающиеся с Мировым океаном. В областях внутреннего стока отмечаются самостоятельные влагообороты.

 

Тепловой и водный балансы

 

Движущие силы круговорота воды – солнечная энергия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходит испарение, конденсация водяных паров и другие процессы при фазовых переходах. Сила тяжести служит причиной падения капель дождя, течения рек, движения почвенных и подземных вод.

Количественным выражением законов сохранения вещества и энергии, участвующих во влагообороте, служат уравнения теплового и водного балансов.

Соотношение прихода и расхода тепла с учетом его изменения за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта называется тепловым балансом.

Уравнение теплового баланса для интервала времени Δt можно представить в виде:

 

ΔQ = Q⁺ - Q^-, (14)

где Q⁺ – теплота, поступающая к данному объекту извне, а также выделяющаяся при ледообразовании, конденсации водяного пара, разложении некоторых веществ; Q^- - теплота, удаляемая за пределы объекта, затрачиваемая в пределах объекта на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы; ΔQ – изменение за время Δt содержания теплоты в объекте. Единицы измерения в уравнении – единицы теплоты (Дж).

Наиболее важный член приходной части уравнения теплового баланса – радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхность воды или суши Q_c, и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности I:

 

R = Q_c – I = (Q +q) · (1 – r) – I, (15)

 

где Q – прямая, q – рассеянная солнечная радиация, r – альбедо поверхности, т. е. отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей, I – эффективное излучение, равное разности между излучением поверхности объекта в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в водных объектах.

Соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта называется водным балансом.

В основе развития гидрологической науки на протяжении 300 лет лежало трехкомпонентное выражение водного баланса:

 

х = у – Е, (15)

 

где х – осадки, у – сток, Е – испарение.

Впервые оно было получено французом Пъером Перо (братом более известного Шарля Перо), который в трактате «О происхождении источников» дал количественное сопоставление атмосферных осадков и стока для верховий реки Сены.

В современном представлении уравнение можно представить в виде:

 

Δu = х – (у + Е), (16)

 

где Δu – изменение запасов воды на поверхности и в толще почвогрунтов за время Δt.

Для водного объекта или водосборного участка суши в развернутом виде уравнение водного баланса представляют в виде:

 

x + y₁ + w₁ + z₁ = y₂ + w₂ + z₂ u, (17)

 

где x – атмосферные осадки на поверхность объекта; y₁ – поверхностный приток воды извне; w₁ – подземный приток воды извне; z₁ – конденсация водяного пара; y₂ – поверхностный отток воды за пределы объекта; w₂ - подземный отток воды за пределы объекта; z₂ – испарение; Δu – изменение объ