4.1. Температура воздуха
Одной из важнейших характеристик климата является термический режим. Он определяется условиями радиации, зависящими от широты местности, и циркуляцией атмосферы . Частая смена воздушных масс, характерная для Вологды, вызывает значительную изменчивость температуры воздуха, отклонения от ее климатической нормы.
Данные по, температуре воздуха получены на основе показаний жидкостных термометров, установленных в психрометрической будке на высоте 2 м над поверхностью земли.
Средняя годовая температура воздуха в Вологде составляет 2,4°С. Самая низкая ( —0,5°С) годовая температура воздуха за весь период наблюдений была зарегистрирована в 1941 г., самая высокая (4 ,0 °С) отмечалась 4 раза: в 1903, 1934, 1936 и 1938 гг. (табл. 23).
В годовом ходе самая высокая средняя месячная температура воздуха (17,2°С) наблюдается в июле, а самая низкая ( — 11,6 °С) -— в январе. Бывают отдельные годы, когда средняя месячная температура других зимних месяцев ниже январской. Так, в 31 % лет самым холодным был декабрь, в 45 % — февраль и в 14 % лет — март.
В январе преобладаю т (14 дней) средние суточные температуры воздуха от —5 до — 15 °С. Однако в этом месяце могут быть как положительные средние суточные температуры: от 0,1 до 5°С (1,3 дня), так и очень низкие отрицательные: от —35 до —4 5 °С (0,13 дня, табл. 24). Ежегодно в течение 5 дней средняя суточная температура в январе бывает ниже — 20 °С.
С февраля начинается медленное повышение температуры. В феврале, как и в январе, еще преобладают (14 дней) средние суточные температуры от — 5 до — 15°С. Температуры —20 °С и ниже отмечаются ежегодно в течение 3 дней. В конце месяца происходит устойчивый переход температуры через — 10 °С в сторону повышения (табл. 25). В марте еще преобладают (18 дней) температуры от 0 до — 10°С. Во второй декаде марта устойчивые морозы прекращаются. Средняя продолжительность периода с устойчивыми морозам и составляет 118 дней (с 19 ноября до 16 марта ).
В апреле в связи с увеличением притока солнечной радиации температура повышается наиболее интенсивно. Однако еще в течение 8 дней средняя суточная температура не поднимается выше 0°С . Устойчивый ее переход через 0 °С происходит обычно в конце первой декады апреля. В 5 % лет такой переход отмечается в третьей декаде марта, а в 95 % лет — к середине апреля (табл. 4 приложения). В этом месяце наиболее часто (15 дней) отмечаются средние суточные температуры от 0,1 до 5°С , но ежегодно можно ожидать 2 дня с температурой 1 0 °С и выше.
В мае продолжается интенсивный рост температуры. Преобладают дни (19 дней) со средней суточной температурой от 5 до 15°С. Устойчивый переход температуры через 10°С происходит в конце второй декады мая. Почти через месяц отмечается переход температуры через 15°С. В июне около половины дней средняя суточная температура бывает выше 15°С.
Июль — самый жаркий месяц. Однако в зависимости от атмосферной циркуляции наиболее высокие средние месячные температуры могут наблюдаться и в июне (24% лет) и в августе (14% лет). В июле преобладают (15 дней) средние суточные температуры от 15 до 20 °С. В течение 10 дней бывает средняя суточная температура 20 °С и выше. В отдельные дни средняя суточная температура может понижаться до 5°С или повышаться до 30 °С, но повторяемость таких дней мала (0,4—0,5 дня).
С августа начинается медленное понижение температуры, но еще в течение 16 дней средняя суточная температура остается выше 15 °С, устойчивый переход ее через 15 °С в сторону понижения происходит во второй декаде. Продолжительность периода с температурой выше 15°С составляет в среднем около 54 дней.
От августа к сентябрю температура понижается на 5,8°С, от сентября к октябрю — на 6,6 °С. Устойчивый переход средней суточной температуры через 10°С происходит в начале второй декады сентября, а через 5°С — в начале первой декады октября. В октябре преобладают (13 дней) средние суточные температуры воздуха о,т 0 до 5°С. Почти половину месяца бывают температуры от 5 до 10°С (8 дней) и от — 5 до 0 °С (7 дней). В конце октября средняя суточная температура устойчиво переходит через 0°С. В конце второй — начале третьей декады ноября наступают устойчивые морозы.
За зиму с устойчивыми морозами принимают такую зиму, когда в течение не менее одного месяца температура воздуха была ниже 0°С как по минимальном у термометру, та к и за отдельные сроки наблюдений. Во время устойчивого морозного периода возможны кратковременные оттепели в течение двух — трех дней не раньше чем через 10 дней после начала периода и не позднее чем за 10 дней до его конца.
В начале третьей декады декабря происходит переход средней суточной температуры воздуха через— 10°С в сторону понижения. В ноябре и декабре -преобладают дни с температурой от 0 до — 10°С, в среднем по 17 дней в месяц. Но в эти месяцы могут наблюдаться и очень низкие средние суточные температуры: в ноябре до — 30 °С, в декабре до —40°С.
Дополнением к характеристикам температурного режима отдельных месяцев могут служить данные о возможных температурах воздуха при различных направлениях ветра (табл. 5 приложения). В табл. 6 приложения представлен суточный ход температуры воздуха. В зимние месяцы наиболее низкие температуры приходятся на 6— 7 ч, весной и осенью минимум смещается на более ранние часы (4— 5 и 5— 6 ч). В июне — июле самые низкие температуры в течение суток отмечаются в 3— 4 ч. Максимальная температура в течение всего года наблюдается в 14— 15 ч. Наименьшие суточные амплитуды температуры воздуха приходятся на ноябрь и январь и составляют 0,9— 1,5°С. Наибольшие амплитуды (≈9°С) отмечаются в июле —августе . На рис. 10 представлен суточный ход температуры воздуха для центральных месяцев сезонов.
Для характеристики термического режима удобно пользоваться номограммам и (рис. 11 и 12), которые дают представление, какие конкретные значения температуры характерны для данного пункта и как часто эти значения встречаются . С помощью номограмм можно получить обеспеченность определенной температуры воздуха в различные часы суток (рис. 11) и за каждый день (рис. 12) в Вологде за январь, апрель, июль и октябрь. На горизонтальной оси номограмм показана возможная ежечасная (ежедневная) температура воздуха, на вертикальной — средняя многолетняя температура воздуха. Поле номограмм занято линиями обеспеченности от 5 до 99%. Зная среднюю- температуру отдельных дней (сроков наблюдений) по номограмме можно вычислить температуру любой обеспеченности. Крайние линии обеспеченности показывают пределы колебания температуры.
Ежедневная средняя и экстремальная температуры воздуха для января, апреля, июля и октября представлены в табл. 7 приложения.
Суммы средних суточных температур отражают ресурсы тепла и холода. Суммы положительных температур используются в качестве показателей теплообеспеченности вегетационного периода растений, а суммы отрицательных — характеризуют суровость зимних условий. В Вологде сумма положительных температур значительно больше суммы отрицательных и составляет 2125 °С (табл. 26). В зависимости от погодных условий суммы температур от года к году изменяются. Так, в 95 % лет возможны суммы положительных температур 1800 °С, в 5 % лет — 2 4 0 0 °С. Существенные колебания от года к году наблюдаются и в суммах температур выше 5 и 10 °С (табл. 27).
Сумма температур за период со средней суточной температурой выше 5°С представляет количество тепла, получаемое сельскохозяйственными культурами за весь период вегетации. В Вологде она равна 2010°С. Наиболее благоприятные условия для роста растений создаются при температуре воздуха выше 10°С. Такие условия в Вологде возможны в среднем в течение 1666 ч за год.
Средняя максимальная температура характеризует самую теплую часть суток (послеполуденные часы ). В среднем за год максимальная температура в Вологде равна 6,4 °С (табл. 28). В годовом ходе максимум ее (22,2°С) приходится на июль, минимум (—8,7°С) на январь. Наибольшая изменчивость этих температур наблюдается зимой, а летом она уменьшается. Так, в январе средняя максимальная температура изменяется от —2,1°С (1949 г.) до — 18,4°С (1940 г.), в июле — от 26,0 °С (1960 г.) до 18,1 °С (1956 г.).
Абсолютный максимум — самое высокое значение температуры воздуха, наблюденное за последние 90 лет. Средний из абсолютных максимумов служит показателем наиболее высоких температур в тени, чаще других повторяющихся в отдельные годы. В Вологде абсолютный максимум температуры воздуха положителен в течение всего года (табл. 29). Средний из абсолютных максимумов изменяется от 1 °С в январе — феврале до 29°С в июле. Самый высокий абсолютный максимум наблюдался в августе 1972 г. и составил 3 9 °С. Максимальные температуры 2 0 °С и выше наблюдаются с мая по август с 90 % -ной вероятностью , а температура 25°С и выше — с 50 % -ной вероятностью (рис. 13). Абсолютный максимум 30°С и выше отмечается с июня по август с повторяемостью 30— 40% С декабря по февраль наиболее вероятны (14— 19 дней) максимальные температуры за сутки от 0 до — 10°С (табл. 8 приложения). В марте и ноябре наиболее вероятны (21— 22 дня) максимальные температуры от —5 до 5°С, в апреле и октябре — от 0 до 10 °С (20— 21 день), а в мае и .сентябре — от 10 до 20 °С (18— 22 дня ). Летом максимальные температуры изменяются в широких пределах, но наиболее вероятны (19— 22 дня) максимальные температуры за сутки от 15 до 25 °С. Температура от 30 до 35 °С бывает во все летние месяцы, но повторяемость ее незначительна (0,7— 1,6 дня). Температура выше 35°С возможна только в августе, но не ежегодно.
Средняя минимальная температура характеризует температуру наиболее холодной части суток (ночные часы). Она колеблется от — 15,4°С в феврале до 11,8°С в июле (табл. 30). Наибольшая изменчивость ее возможна в зимнее время года. Например, в январе средняя минимальная температура в 1944 г. составила — 7,2°С, а в 1940 г. равнялась —26,1 °С. Абсолютный минимум — самое низкое значение температуры за весь период наблюдений — имеет отрицательные значения во все месяцы года, кроме июля (табл. 31). В июле минимальная тем п ер ату р а воздуха ниже 1 °С не опускалась, температура 1 °С была в 1949 г. Самая низкая температура ( —4 8 °С ) отмечена в январе 1940 г.
Средний из абсолютных минимумов температуры воздуха дает представление о наиболее возможных понижениях температуры по месяцам и за год и является хорош им показателем морозоопасности района. Частоту появления абсолютного минимума любой вероятности в течение года можно определить по рис. 14. Так, минимум —30 °С с вероятностью 50— 60 % отмечается с середины декабря до середины февраля. В январе повторяемость абсолютного минимума — 35 °С равна 25%, а температуры —40°С составляет 8 %.
С декабря по март абсолютный минимум колеблется в пределах от —50 до 5°С (табл. 9 приложения). В это время наиболее вероятны (18— 19 дней) минимумы от — 5 до — 20 °С. Минимальная температура выше 0°С бывает 0,2— 1,5 дня, ниже — 40 °С — всего 0,02— 0,1 дня.
В апреле и октябре наиболее вероятны (21— 23 дня) минимальные температуры от — 5 до 5°С, в мае и сентябре (21— 24 дня) — от 0 до 10 °С. Летом наблюдаются минимальные температуры от —5 до 2 5 °С, но наиболее вероятны (22—26 дней) от 5 до 15°С.
При производстве работ на открытом воздухе в холодный период необходимо учитывать интенсивность и продолжительность морозов (табл. 32). У меренные морозы (ниж е — 10 °С) наблюдаются с октября по апрель, но в начале и конце сезона они непродолжительны. В целом за сезон такие морозы длятся в среднем 1239 ч. Наибольшая их продолжительность отмечена в холодную зиму 1941-42 г. Более низкие температуры (ниж е —20 °С) воз можны с ноября по апрель в течение 319 ч. Максимальная продолжительность (919 ч) морозов —20 °С и ниже наблюдалась в зиму 1941-42 г. Сильные морозы (ниже —30°С ) бывают с декабря по март и продолжительность их составляет в среднем 42 ч.
Заморозком принято называть понижение температуры воздуха до 0 °С и ниже при установившемся режиме положительной температуры. Чаще всего заморозки отмечаются в переходные сезоны. Обычно они бывают ночью и рано утром при ясной тихой погоде, а при общем похолодании возможны в любое время суток. По происхождению различают заморозки адвективного, радиационного и смешанного характера. На интенсивность и распределение заморозков оказывают влияние характер подстилающей поверхности, формы рельефа, защищенность места. Заморозки в среднем наблюдаются до третьей декады мая (табл. 33). В раннюю и теплую весну они прекращаются почти на месяц раньше средней даты, а в позднюю и холодную — почти на месяц позже. Без мороза в среднем бывает 116 дней. Продолжительность этого периода может значительно изменяться в зависимости от погодных условий. Так, в 1955 он длился 163 дня, а в 1933 г.— всего 72 дня. Первые' осенние заморозки в воздухе обычно отмечаются в конце второй декады сентября, но их наступление может отклоняться от средних многолетних сроков почти на месяц в ту или другую сторону.
Минимальная температура воздуха, наблюдаемая в течение заморозка, характеризует его интенсивность. Сильные заморозки (температура воздуха —3 °С и ниже) в Вологде возможны в апреле и октябре. Очень редко они наблюдаются в первой декаде мая, но в целом в мае заморозки становятся слабее. Осенью слабые заморозки начинаются во второй декаде сентября, а сильные— с третьей декады октября. Но заморозки в октябре менее интенсивны, чем в апреле.
Д ля холодной части года характерны оттепели, когда максимальная температура воздуха поднимается до 0°С и выше на фоне установившихся отрицательных температур. За год в среднем бывает 32 дня с оттепелью. Наиболее вероятны (12 дней) они в марте, в остальные месяцы их число колеблется в пределах 3— 5 дней в месяц (табл. 34).
Для проектирования ограждающих конструкций зданий, расчетов теплопотерь, регулирования подачи тепла используются расчетные температуры воздуха. Отопительный период в Вологде начинается в среднем 19 сентября и длится 228 дней (до 6 мая). Он определяется датами перехода средней суточной температуры осенью и весной через 8°С . В отдельные годы даты начала и конца отопительного периода изменяются в пределах 5— 14 дней. Средняя температура отопительного периода составляет — 4,7°С, наиболее холодной пятидневки —3 1 °С. Средняя температура наиболее холодной части отопительного периода, так называемая зимняя вентиляционная температура, равна — 16 °С.
4.2. Температура почвы
Данные о температуре почвы широко используются при проектировании, строительстве, теплотехнических расчетах и в других отраслях народного хозяйства.
Температура почвы зависит от прихода солнечной радиации, механического состава и структуры почвы, ее влажности, характера растительности, рельефа, а в зимнее время еще от состояния и мощности снежного покрова.
Наблюдения за температурой поверхности почвы проводятся по срочному, максимальному и минимальному термометрам , установленным летом на оголенной поверхности почвы, а зимой — на поверхности снега таким образом, чтобы их резервуары были на половину погружены в почву или снег. Температура почвы на глубинах измеряется при помощи коленчатых и вытяжных термометров. Коленчатые термометры устанавливаются только в теплое время года под оголенной поверхностью почвы на глубинах 0,05, 0,10, 0,15 и 0,20 м. Вытяжные термометры устанавливаются на глубинах от 0,2 до 3,2 м под естественным покровом (летом — трава, зимой — снег). Глубина промерзания почвы под естественной поверхностью определялась по цементации почвы и наличию в ней кристаллов льда путем вырубки монолитов на полях с озимыми культурами.
Средняя годовая температура поверхности почвы в Вологде положительная и составляет 3°С . С ноября по март температура поверхности почвы отрицательная. Среднее месячное значение ее понижается от — 4 °С в ноябре до — 12 °С в январе, в феврале остается на уровне январской, а в марте повышается до —7°С. Абсолютный минимум температуры поверхности почвы ( — 51°С) приходится на январь. После схода снежного покрова в апреле поверхность почвы быстро прогревается и температура ее повышается до 1°С. С мая по август средняя температура почвы выше температуры воздуха на 1— 3 °С и изменяется от 11 до 20 °С. Летом температура поверхности почвы в дневные часы может повышаться до 49— 52°С. Однако в отдельные годы ночью температура в июне и августе может понижаться до — 5 и —3 °С соответственно, т. е. на почве возможны заморозки (табл. 35). Заморозки на поверхности почвы кончаются на 7 дней позже (30 мая) и начинаются на 8 дней раньше (9 сентября), чем в воздухе. Поэтом у продолжительность безморозного периода на почве на две недели короче, чем в воздухе, и составляет в среднем 101 день.
Для более детальной характеристики термических условий на поверхности почвы в районе Вологды может служить Средняя месячная температура поверхности почвы различной обеспеченности (табл. 10 приложения).
Средние годовые температуры почвы на глубинах 0,2— 3,2 м под естественным покровом устойчивы из года в год и с глубиной изменяются незначительно. Годовой ход температуры почвы на глубинах характеризуется одним максимумом и одним минимумом (рис. 15). В слое почвы 0,2— 0,8 м максимум отмечается в июле — августе, а минимум — в феврале — марте. С глубиной время наступления максимумов и минимумов температуры почвы запаздывает, и на глубинах 1,6— 3,2 м максимум приходится на а в густ— сентябрь, а минимум — на апрель — май (табл. 36).
Средняя дата первого, заморозка на глубинах наступает позднее, чем на поверхности почвы, так как охлаждение осенью распространяется с поверхности в глубь почвы постепенно. Средняя продолжительность безморозного периода с глубиной увеличивается. На глубине 0,8 м заморозки наблюдаются не ежегодно (табл. 37).
Промерзание почвы во многом зависит от суровости зимы и высоты снежного покрова. В декабре почва промерзает в среднем на глубину 23 см, в апреле — на 63 см. Средняя из максимальных глубин промерзания почвы за зиму составляет 67 см. Глубина промерзания почвы зависит от высоты снежного покрова. Так, в малоснежную ( Н = 17 см) зиму 1953-54 г. земля промерзла на глубину 115 см, а в зиму 1952-53 г. с высоким снежным покровом ( Н = 41 см) лишь на 36 см (табл. 38).
При проектировании различных зданий и сооружений используется нормативная глубина промерзания грунтов, которая «является средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов под оголенной от снега поверхностью за срок не менее 10 лет» [25]. Нормативная глубина промерзания почвы для района Вологды достигает 145 см, т. е. она на 30 см больше максимальной глубины промерзания почвы.
Приближенной характеристикой промерзания почвы является глубина проникновения температуры 0°С в почву, которая определяется по вытяжным термометрам и характеризует слой почвы с отрицательными температурами. Глубина нулевой изотермы оценивается ее максимальным значением за каждый холодный период. Наибольшая средняя глубина нулевой изотермы (78— 82 см) наблюдается в феврале — марте. В холодные зимы при небольшой высоте снежного покрова отмечено проникновение нулевой изотермы до глубины 1,5 м (табл. 39). Наглядное представление о годовом ходе глубины нулевой изотермы дает рис. 16.
В районе Вологды амплитуда глубины проникновения нулевой изотермы равна 120 см, а среднее квадратическое отклонение ± 36 см (табл. 40). Один раз в 50 лет возможна максимальная глуби на проникновения нулевой изотермы до 160 см, 1 раз в 10 лет — 142 см, а 1 раз в 2 года — 109 см.
