Термический и ледовый режим озер

Одной из основ классификации озер Северо-Западного края СССР П.Ф. Домрачева (1922) были температурные условия и, в частности, летняя средняя температура столба воды, а также разность температур на поверхности и у дна. В глубоких озерах средняя температура составляет около 11 °С, разность между поверхностной и придонной температурами – 13 - 20 °С; в среднеглубоких - соответственно 16 и 6 °С; в мелководных озерах - 20 и 2 °С.

Развивая классификацию П.Ф. Домрачева, можно за основу взять среднюю интегральную температуру всего озера в летний период (Китаев, 1975, 1978, 1984) и в зависимости от ее величины разделить водоемы на следующие классы:

• очень теплые - средняя температура воды более 20 °С;
• теплые - средняя температура воды 15 - 20 °С; 
• умеренно-холодные - средняя температура воды 10 - 15 °С;
• холодные - средняя температура воды 5 - 10 °С;
• очень холодные - средняя температура воды менее 5 °С.

Кроме того, озера умеренной зоны по сумме температур воды выше 10°С распадаются на следующие термические группы (С.П. Китаев, 1975, 1978, 1984) [5]:

- очень теплые - суммы  температур более 4000 °С;

- теплые - суммы температур 2000 — 4000 °С;

- умеренно-теплые - суммы  температур 1000 - 2000 °С;

- холодные - суммы температур 500 - 1000 °С;

- очень холодные - суммы  температур менее 500 °С.

Хотя температура воды 10 °С имеет несколько условный характер, она, как указывает Д.Н. Анучин (1897), И.И. Николаев (1971) и как принято в климатологии, является наиболее обоснованным и легко контролируемым критерием, разделяющим холодные и умеренно-теплые условия.

В 1925 г И.В. Молчанов предложил термическую классификацию водоемов по характеристике теплоактивного слоя (эпилимниона) озер: «можно построить разделение озер на группы по особенностям теплоактивного слоя и различать: I - теплые и II - холодные озера. Первые - нагреватели в течение целого года (в среднеарифметическом выводе); вторые - охладители до перелома лета и нагреватели после». В более поздней работе И. В. Молчанов (1929) теплые озера назвал термопозитивными, холодные - термонегативными и промежуточные между этими типами – термоиндифферентными [6].

Т.Н. Филатова (1957, 1959) озера Карельского перешейка делит на две основные группы: озера с устойчивой термической стратификацией и неустойчивой. В последней группе озер различают три подгруппы.

По характеру вертикального распределения летней температуры воды озер Н.И. Семенович (1935) делит водоемы Якутии на три группы: озера с очень слабо выраженной температурной стратификацией - температуры поверхностных и придонных слоев почти одинаковы («теплые»); озера со слабо выраженной температурной стратификацией - разность температур поверхностных и придонных слоев значительна, но падение температуры с глубиной равномерное, почти без скачка («умеренно холодные»), и озера с резко выраженной температурной стратификацией и слоем скачка - глубокие («холодноводные»). Дальнейшее совершенствование термическая классификация озер получила в работах Б. Аберга и В. Роде, К. Паталаса, А. И. Тихомирова и В. Н. Абросова.

B. Aberg, W. Rodhe (1942) среди озер Швеции различают весенне-меромиктические - наиболее глубокие и холодные; стабильно расслоенные водоемы, имеющие слой температурного скачка; метастабильно расслоенные водоемы или умеренно холодные и эпилимнические - теплые, без стратификации [1].

В основе квалификации озер умеренной зоны по температурному режиму А.И. Тихомирова (1968, 1970, 1982) лежит годовой ход температуры и характер температурной стратификации озер в летний период. Среди озер умеренной зоны А.И. Тихомиров различает озера эпитермические (мелководные), метатермические (среднеглубокие) и гипотермические (глубокие). Среди метатермических озер А. И. Тихомиров выделяет еще два подтипа: переходные от эпитермического к метатермическому и от метатермического к гипотермическому [7].

В классификации озер умеренной зоны, предложенной В.Н. Абросовым (1971, 1982), озера разделяют на: тепловодные однородные, в которых объем эпилимниона Е равен объему озера; тепловодные разнородные, в которых объем эпилимниона Е много больше объема гиполимниона Н; умеренно холодные - Е Н 1, холодные - Е Н 1 и очень холодные - Е 1.

А.И. Пехович и В.М. Жидких (1972, 1976) озера по глубине подразделяют на три типа: мелкие, глубокие и очень глубокие. В мелких водоемах летом перепада температур по глубине почти нет, придонная температура летом и зимой изменяется, в период ледостава наблюдается теплоотдача ложем водоема накопленного тепла. В глубоких озерах и водохранилищах температура поверхностных и придонных слоев различна, придонная температура летом и зимой изменяется, в период ледостава теплоотдачи ложем почти нет. Очень глубокие водоемы имеют большой перепад температуры, и у дна температура практически постоянна, в связи с чем не наблюдается теплоотдачи ложем. Изучение теплобалансовых характеристик водоемов позволило Н.В. Несиной и Т.А. Огневой (1975) выделить три типа озер по соотношению составляющих теплового баланса: глубокие озера, в которых 70 - 80% радиационного тепла идет на нагревание, 20 - 30% - на испарение; среднеглубокие - соответственно 15 - 20% идет на нагревание, 70 - 80% - на испарение и мелководные - только 5 - 10% идет на нагревание, 80 - 90%) - на испарение [9].

Развернутую термическую классификацию озер по тепловому балансу и другим показателям дала Н. П. Смирнова (1973, 1982, 1993).

Названные термические внутризональные классификации озер (А.Гейстбек, Д.Н. Анучин, Ф.Л. Уиппл, И.В. Молчанов, А.Д. Зинова и П. Нагель, Н.И. Семенович, Хатчинсон, К. Паталас, Хомскис, Фрейндлинг, Захаренков, А.И. Тихомиров, В.Н. Абросов, Н.В. Несина, Т.А. Огнева, Н.П. Смирнова и др.), учитывая местные специфические условия для термического режима озер, в то же самое время недостаточно полно принимают во внимание особенности строения озерных чаш. Еще Halbfass (1900) указывал, что продуктивность озер, их особенности и свойства зависят не только от глубины, но и от соотношения между собой литорали, изрубья (сублиторали) и донной области (профундали), размера и характера водосборной площади, что, в свою очередь, влияет на физические и химические свойства воды в озере. Большое значение Halbfass придавал грунтам озера и, наконец, флоре и фауне с точки зрения их взаимодействия. Им же предложен зональный метод исследования отдельных участков озера. С этими основными положениями вполне согласен Сомов (1920). Вопросы термических и оптических условий деления пелагиали и бентали на зоны и методы определения температур по вертикали будут рассмотрены в восьмой главе.

Что касается комплексных термических классификаций озер с учетом физико-географических зон и вертикального водообмена (циркуляций), то таких классификаций было предложено четыре: Хатчинсон и Леффлер (Hutchinson, Loffler, 1956), Левис (Lewis, 1983), С. В. Рянжин (1989), JI. М. Галкин (1970).

Хатчинсон и Леффлер (табл. 2.2.2) полярные и субполярные озера разделяют на амиктические (без циркуляции) и холодные мономиктические, т. е. озера с одной циркуляцией в году. Озера умеренной зоны почти все димиктические (две полные циркуляции в году), а озера тропической и субтропической зон — теплые мономиктические, олигомиктические (несколько циркуляций в году) и холодные и теплые полимиктические (циркуляции почти ежедневно). Кроме того, Bayly и Williams (1973) среди мономиктических озер выделили хейтомиктические [4].

 

Таблица 2.2.2 Типы озер мира в зависимости от физико-географических зон и числа полных периодов циркуляции (Hutchinson, Loffler, 1956; Bayly, Williams, 1973)

Зона	Тип озера по циркуляции
	Хатчинсон, Леффлер	Бейли, Уильямс
Полярные	Амиктические	Амиктические
Субполярные	Холодные мономиктические	Холодные мономиктические
Умеренные	Димиктические	Димиктические
Тропические	Олигомиктические	Олигомиктические
	Полимиктические	Полимиктические
	Холодные полимиктические	Холодные полимиктические
Субтропические	Теплые мономиктические	Теплые мономиктические
		а) теплые мономиктические (перемешивание зимой)
		б) теплые мономиктические (перемешивание летом)

 

 

Термический режим водоемов определяется циркуляционными процессами, происходящими в них в различные сезоны года, и разными климатическими условиями. На этой основе Леффлером и Хатчинсоном была составлена термическая классификация озер (рис. 2.2.2).

 

Рис. 2.2.2 Классификация озер но термическому признаку в зависимости от широты местности (ф) и высоты над уровнем моря (м). По Хатчинсону и Леффлеру [4]

1,2 - переходные области, 3 - озера разных типов

 

Амиктические водоемы никогда не перемешиваются, так как имеют постоянный ледяной покров. К этому классу относятся водоемы арктической зоны и Антарктики.

Холодные моноомиктические, как правило относительно глубокие водоемы, распространены в зоне тундры и отличаются только летним перемешиванием, температура воды в них никогда не превышает 4 °С.

Димиктические водоемы находятся в умеренной зоне, и конвективное перемешивание наблюдается в них весной и осенью.

Теплые мономиктические водоемы распространены в субтропической зоне, и циркуляционные процессы в них наблюдаются только один раз зимой.

Для полимиктических водоемов характерна полная циркуляция, вызванная сильным нагреванием воды днем и охлаждением ночью. К этому классу относятся водоемы саванн и горные озера тропического пояса.

Олигомиктические водоемы характеризуются нерегулярной циркуляцией и лишь при похолоданиях. Этот класс озер распространен в зоне влажных тропических лесов.

Водоемы, которые остаются неперемешанными из-за присутствия слоя воды, имеющей высокую минерализацию, называются мезомиктическими. Чаще всего такие озера расположены в зоне аридного климата [6].

Дальнейшее развитие термическая классификация озер Хатчинсона - Леффлера получила в работах С. В. Рянжина (1989, 1990), который уточнил распространение теплых тропических, высокогорных и приэкваториальных озер.

Однако классификация озер Хатчинсона - Леффлера имеет ряд недостатков. Практически из их классификации исключены почти все мелководные озера, особенно умеренной зоны, а их - миллионы. Не совсем ясно, куда относить меромиктические озера, - у них в перемешивании участвуют только миксолимнион. 

Все эти недостатки устраняет предложенная W. Lewis (1983) термическая классификация озер. У меромиктических озер он предлагает принимать во внимание только верхний слой, который в годовом цикле участвует в перемешивании. При сохранении всех типов озер классификации Хатчинсона - Леффлера W. Lewis предлагает еще дополнительно холодные олигомиктические и холодные полимиктические, которые включают и мелководные озера (рис. 2.2.3) [2].

 

 

Рис. 2.2.3 Термическая классификация озер W. Lewis (1983) [6]

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОЗЕР НА КЛИМАТ

 

Озера оказывают влияние на климат прилегающих к ним районов. Это влияние определяется размером водной поверхности озера и объемом его водной массы. Испарение с водной поверхности в первую очередь влияет на влажность воздуха приозерного района. Обладая большой тепловой инерцией, крупные, незамерзающие водоемы смягчают климат прибрежных районов. В холодную половину года здесь наблюдается более высокая температура, чем вдали от озера, в теплую, наоборот, — более низкая. Так, например, в районе оз. Байкал температура на береговых станциях в декабре обычно на 8 — 12° С выше, чем на станциях, где влияние озера не сказывается, а в июле — на 6 — 8° С ниже. Воздействие озер на климат прилегающих к ним территорий затухает сравнительно быстро по мере удаления от береговой полосы в глубь континента.

Климатические особенности водоемов и прибрежных территорий возникают прежде всего из-за значительных различий структуры теплового баланса суши и воды. Так, в частности, исследования Т. В. Кириловой и других специалистов показали, что около 90 % радиационного баланса на водоемах расходуется на прогревание водных масс и испарение и только 10% - на турбулентный поток тепла в воздух, вследствие чего нагревание воздуха над водоемами небольшое и почти одинаковое днем и ночью, в то время как над сушей оно заметно меняется в течение суток [11]. 

В среднем за год водоемы теплее суши, на что указывал еще А. И. Воейков. Исключение составляют только водоемы, находящиеся в очень сухих и жарких климатах, где испарение с поверхности суши ничтожно, а с водной поверхности велико. 

Вследствие различий в соотношении между составляющими радиационного и теплового балансов водной поверхности и суши создается местная циркуляция (бризы), наиболее четко выраженная в теплое время года в прибрежной полосе, размеры которой зависят от площади водоемов и контрастов в температуре поверхности суши и водоема, а также от строения окружающей территории. Днем над нагретой сушей конвективные потоки поднимаются вверх, а на смену им с водоемов в нижнем слое приходит более холодный воздух, возникает дневная ветвь бризовой циркуляции [8]. 

Ночью, когда суша становится холоднее водных масс, возникает обратная циркуляция. Бризы помимо морских побережий наблюдаются на больших и малых водоемах и на больших реках (например, на Волге). Чем меньше водоем, тем меньше скорости бриза, его горизонтальная и вертикальная мощность. Наиболее часто мощные бризы возникают в низких широтах, в средних широтах бризовая циркуляция выражена слабее. Особенности орографии прибрежных территорий влияют на проникновение бриза в глубь суши. Наиболее благоприятные условия создаются для его распространения на плоских побережьях, где он проникает в глубь суши на десятки километров, а в отдельных случаях и до 100 км, как, например, в районе Рионской долины. При нахождении вблизи береговой линии горных препятствий проникновение бризов в глубь территории ограничено.  
Скорости ветра при бризовой циркуляции могут быть различные, от 1-2 до 7 м/с и более в случае хорошо развитого бриза. Влияние водоемов на скорость ветра на побережьях прослеживается и при отсутствии бризовой циркуляции. Скорость ветра над водоемами всегда больше, чем над прилегающими участками суши вследствие малой шероховатости водоемов. Различия в шероховатости воды и суши приводят к тому, что воздушные потоки, встречая меньшее сопротивление движению над водой при ветре, дующем под углом к суше, имеют тенденцию обтекать береговую линию со стороны моря. Встречая на пути мысы, особенно гористые, ветер частично их обтекает, а частично переваливает через них и резко усиливается. Поэтому на мысах нередко можно наблюдать скорости ветра большие, чем над открытым морем. Здесь проявляется комбинированное влияние водной поверхности, границы с сушей и рельефа. По мере удаления от берега скорости ветра в прибрежной полосе ослабевают приблизительно по логарифмическому закону, и на расстоянии порядка 10 км влияние моря уже не сказывается.