Разработка автоматического алгоритма прогнозирования почвенного заморозка из анализа потоков агрометеорологических данных

ВЕРОЯТНОСТЬ ЗАМОРОЗКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ

Заморозками называют кратковременные понижения температуры ниже нуля в период, когда преобладают положительные температуры. (А. С. Зверев, 1977 г.)
По определнию Ю. И. Чиркова (1986 г.), заморозки – это понижение температуры воздуха или деятельной поверхности до 0°С и ниже на фоне по-ложительных средних температур воздуха.
Согласно данным С. П. Хромова на 1964 г. заморозками называют по-нижение температуры воздуха ночью до нуля градусов и ниже в то время, ко-гда средние суточные температуры уже держатся выше нуля, т. е. весной и осе-нью.
Основной причиной заморозков являестя второжение холодных масс воздуха арктического происхождения преимущественно в тылу за холодными фронтами. Эффект усиливается ночным понижением температуры, чему спо-собствуют ночные прояснения и ослабление ветра в холодной воздушной мас-се, а также малая удельная влажность, благодаря чему эффективное излучение поверхности почвы особенно велико. Часто заморозок наблюдается только но-чью и достигает наибольшей интенсивности перед восходом солнца, когда тем-пература принимает минимальноее значение.
На интенсивность и распределение заморозков, кроме общих зональных закономерностей, большое влияние оказывают атмосферные процессы и харак-тер подстилающей поверхности.

Типы заморозков и условия их возникновения

По характеру процессов, вызывающих возникновение заморозков, и по-годных условий, сопровождающих их, различают три типа заморозков.
1. Адвективные заморозки. Возникают вследствие вторжения холодного воздуха арктического происхождения обычно весной и осенью. При этом про-исходит понижение температуры воздуха во всем приземном слое. Амплитуда суточного хода температуры воздуха невелика, различие между температурой воздуха на высоте 2 м и у поверхности почвы незначительно. Адвективные за-морозки могут длиться до нескольких суток подряд, охватывают большие тер-ритории и мало зависят от местных условий.
2. Радиационные заморозки. Обусловлены интенсивным охлаждением деятельной поверхности в результате излуения в ясные тихие ночи при невысо-ком уровне средних суточных температур воздуха. При этом в приземном слое воздуха образуется инверсия температуры. На поверхности почвы или сомкну-того травослоя холоднее, чем на высоте 2 м , в среднем на 2,5 – 3,0°С, а врез-коконтинентальном климате Сибири и Казахстана – на 4,0 – 4,5°С.
3. Адвективно-радиационные заморозки. Образуются вследствие втор-жения холодного воздуха и дальнейшего ночного охлаждения деятельной по-верхности при ясном небе. Адвекция и радиационное охлаждение проявляются здесь в комплексе.
Адвективные заморозки наиболее продолжительны. Прогревание хо-лодной массы вторгшегося воздуха длится обычно 3 – 4 суток. Радиационные заморозки (утренники) наблюдаются в течение ночи, усиливаясь ко времени восхода солнца. В предутренние часы обычно отмечается самая низкая темпе-ратура.
Адвективно-радиационные заморозки наблюдаются в конце весны и начале лета, а также ранней осенью и совпадают с вегетационным периодом. Эти заморозки бывают на пповерхности почвы или травистоя (посева) в пери-од вегетации растений.
Иногда метеостанциями заморозки не отмечаются, так как в метеороло-гической будке температура положительная, а минимальный термометр на по-верхности почвы тоже непоказывает отрицательной температуры, поскольку его резервуар, на половину углубленный в почву, получает оттуда дополни-тельное тепло. При таких скрытых заморозках могут происходить поврежед-ния теплолюбивых растений, так как температура их органов может понизить-ся до 0°С и ниже.
Различают общий заморозок(или заморозок в воздухе), когда отрица-тельтная температура наблюдается
на уровне 2х метров, и заморозок на почве, когда при положительной темпе-ратуре на уровне 2х метров на поверхности почвы наблюдается отрицательная температура.
Заморозки на поверхности почвы весной заканчиваются позже, а осенью начинаются раньше, чем в воздухе. Вследствие этого беззаморозковый период на почве на 20 – 30 дней короче, чам в воздухе.

Влияние местоположения на интенсивность и продолжительность
заморозков

При адвективных заморозках, сопровождающихся ветром и облачно-стью, влияние местоположения проявляется меньше, чем при других типах за-морозков, но все же неветренные склоны и участки, открытые холодным вет-рам, оказываются долее заморозкоопасными. При радиационных и адвектив-но-радиационных заморозках влияние местоположения (форма рельефа, ха-рактер подстилающей поверхности , близость водоемов и т. д.) значительно заметнее.
Рельеф местности обуславливает характер стока и притока холодного воздуха. Ночью на склонах в результате радиационного охлаждения прилега-ющих к деятельной поверхности слоев воздуха последний становится более тя-желым и стекает вниз. Поэтому в нижних частях склонов и в долинах, где со-средотачивается охлажденнный воздух, значительно холоднее, сем в вверхних частях склонов и на вершинах холмов. Особенно холодно в замкнутых котло-винах. Здесь разность температур воздуха у поверхности почвы и на высоте 2 м может достигать 10°С.
На больших ровных участках площадь в несколько квадратных км. Со-здаются средние условия заморозкоопасности, поскольку здесь не происходит ни притока, ни стока охлажденного воздуха, поэтому заморозкоопасность раз-личных форм рельефа сопоставляется с открытыми ровными участками.
.
На склонах, покрытых лесом, холодный воздух задерживается перед ле-сом, и заморозкоопасность открытых участков склонов возрастает. Во время радиационных заморозков в лесу температура на 2-30 С выше, чем в открытом поле. На полянах интенсивность заморозка усиливается. На берегах морей, больших озер продолжительность беззаморозкового периода увеличивается на 25-35 дней. В сомкнутом травостое минимум температуры приходится на верхний ярус листьев и они повреждаются заморозками в первую очередь. Су-хие и разрыхленные почвы и особенно осушенные торфяники способствуют возникновению радиационных заморозков на поверхности почвы. Такие почвы обладают малой теплоемкостью и теплопроводностью. Поэтому они плохо проводят тепло из глубоких слоев к верхнему слою, быстро охлаждающемуся после захода Солнца.
Ориентация склонов оказывает косвенное влияние на степень поврежде-ния растений заморозками. На восточных и юго-восточных склонах растения сразу попадают под действие солнечных лучей, а вследствие быстрого нагрева обмороженных частей повреждения усиливаются.


АЛГОРИТМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ЗАМОРОЗКА В СИСТЕМАХ СБОРА И ОБРАБОТКИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ
ДАННЫХ

Метеорология относится к тем наукам, результаты которых стали неотъемлемой частью повседневной жизни. Метеорологи активно используют системы определения состояния и прогноза погоды на основе спутниковых снимков, отслеживая направления циклонов и анализируя статистическую ин-формацию о конкретных регионах. Данные исследования позволяют получить более точную информацию на территории большой протяженности, но для конкретной местности, например горной, не всегда точны. Справиться с по-добным недостатком позволяют портативные метеостанции, которые устанав-ливаются за окном, показывают текущие погодные условия и осуществляют краткосрочный прогноз. Данный прогноз имеет малый радиус действия, так как строится на основе локальных метеоданных.