ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИНВЕРСИИ КАК ФАКТОР

ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.19, вып.5, 2014
УДК 58.056; 581.524.43
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИНВЕРСИИ КАК ФАКТОР ПРОСТРАНСТВЕННОЙ
ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЛЕСНЫХ ФОРМАЦИЙ НА УРАЛЕ И В ПРЕДУРАЛЬЕ
 Ю.П. Горичев
Ключевые слова: температурная инверсия; орографическая инверсия; климатоп.
Температурные инверсии как метеорологическое явление имеют широкое распространение на возвышенностях
и в горах. Вследствие орографических инверсий происходит высотная дифференциация экотопов по термич ескому режиму, что приводит к пространственной дифференциации лесных фитоценозов. Дан краткий обзор материалов о влиянии орографических инверсий на пространственную структуру лесной растительности по трем
регионам – Предуралью, Среднему и Южному Уралу.
Многие отечественные исследователи (географы,
ботаники, лесоводы и др.), работая в разных регионах
страны, обращали внимание на влияние температурных
инверсий на пространственную дифференциацию лесных фитоценозов.
Мы попытались обобщить сведения, касающиеся
температурных инверсий и их влияния на пространственную структуру лесной растительности по Предуралью, Среднему Уралу и Южному Уралу. Дополнительно, для сравнения, приведены данные по Средней Сибири (Приангарское плато). Большинство материалов
относится к 70-м гг. ХХ в., поиск более поздних материалов не дал результата.
Переходя непосредственно к теме, кратко охарактеризуем явление температурной инверсии и приведем
некоторые данные о характере проявлений инверсий в
некоторых регионах. Нормальным и закономерным
считается понижение температуры с высотой местности. Однако часто происходят различного рода инверсии – явления противоположного характера, т. е. возрастание температуры с высотой. Инверсии проявляются в определенном слое атмосферы – т. н. слое инверсии [1]. Различают несколько видов инверсий. Одной из них является орографическая инверсия, основная причина которой – сток холодного воздуха в понижения. Возникновению орографической инверсии способствуют условия пересеченного холмистого или горного рельефа. В горах и на возвышенностях при определенных метеорологических условиях (антициклональная, безветренная погода) холодный, более плотный воздух под силой тяжести стекает с возвышенных
мест в понижения и там скапливается, образуя озера
холодного воздуха. При этом более высокие температуры наблюдаются на склонах. В ночные часы при
ясной антициклональной погоде в результате стекания
холодных воздушных масс в долины, где происходит
сильное выхолаживание поверхности, возможно возникновение поздневесенних и летних заморозков. При
циклональных погодных условиях температурные инверсии выражены слабее.
Приведем некоторые данные о характере протекания орографических инверсий из известной сводки
Роджера Г. Барри по горному климату [2]. На опреде-
ленной высоте над днищами долин – на склонах или
выпуклых поверхностях образуется т.н. теплый пояс. В
условиях среднегорного рельефа данный пояс расположен относительно днищ на высоте около 350 м летом
и 700 м – зимой. На возвышенностях он находится
несколько ниже – на высоте около 100–400 м над днищами долин. В теплом поясе вегетационный период на
1–2 недели продолжительнее, чем на дне долины. Выше теплового пояса вегетационный период также более
короткий. Среднемесячные температуры теплого и
холодного поясов различаются на 1 С зимой и 0,2 С
летом, а средние месячные минимальные температуры –
соответственно, на 3 и 1,5 С [2].
Таким образом, в условиях пересеченной местности
наиболее холодными экотопами являются днища долин с
прилегающими частями склонов и вогнутые формы рельефа. Для них характерны наибольшие амплитуды минимальных и среднесуточных температур, наибольшая частота заморозков, наиболее короткий безморозный период.
Самые теплые экотопы – склоны, включающие «тепловой
пояс» и выпуклые формы рельефа. Они характеризуются
наименьшими амплитудами температуры, самым продолжительным безморозным периодом.
Исследованиями, проведенными в Средней Сибири
(Приангарское плато) [3–5], установлено, что в результате орографических инверсий температура на водоразделе и в долине с разностью высот 50 м, различалась в среднем на 4–5 С, а при некоторых погодных
ситуациях разность температур достигала 10–12 С.
Микроклимат водоразделов в целом более теплый по
сравнению с микроклиматом днищ долин: средняя
годовая температура выше на 1,3–1,5 С, среднеянварская – на 0,6–0,9 С, среднеиюльская – на 0,3 С (градиенты составляют, соответственно, 6,2 и 3,6 С на
100 м высоты). Основные микроклиматические различия
теплого и холодного поясов связаны с варьированием
минимальной температуры воздуха, амплитуды ее суточного хода, а также суммы активных температур [5].
В теплом поясе, по сравнению с холодным, средние
минимальные температуры в январе и июле выше, соответственно, на 3,2 и 3,4 С. Амплитуды температур в
теплом поясе меньше: годовая – на 1,7–0,5 С, январская – на 3,2 С, июльская – на 4,6 С [5]. Суммы ак1267
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.19, вып.5, 2014
тивных температур в теплом и холодном поясах различаются на 300 С. В целом микроклимат теплых экотопов (водоразделы и прилегающие склоны) характеризуется умеренными величинами температуры, относительно пониженными амплитудами суточных и сезонных колебаний, наибольшей длительностью безморозного периода. Микроклимат холодных экотопов (днища долин и прилегающих склонов) отличается сильным выхолаживанием, резко сокращенной длительностью безморозного периода [5]. В теплом поясе в летнее время температура воздуха не опускалась ниже
10 С, а в холодном поясе в течение вегетационного
периода минимальная температура регулярно опускалась ниже 10 С, а эпизодически – даже ниже 0 С.
Исследования, проведенные Р.С. Зубаревой [6] на
Среднем Урале, на топографическом профиле с высотами от 410 до 550 м над уровнем моря показали существенные термические различия между теплым и холодным поясами. В течение четырехлетнего периода
наблюдений средние суммы температур за вегетационный период составили, соответственно, 1569 и 1405 С,
среднесуточные температуры – соответственно, 10,8–
12,9 и 10,5–11,2 С. В холодном поясе наблюдаются
более низкие значения минимальных температур, более
частые заморозки в вегетационный период, более короткие вегетационный и безморозный периоды. Термический режим теплого пояса характеризуется максимальным накоплением тепла в вегетационный период, наименьшими амплитудами среднемесячной и минимальной температур [6].
Согласно исследованиям В.Г. Туркова [7], для Среднего Урала орографические инверсии с отрицательными
температурными градиентами являются обычным явлением. Верхний предел относительно устойчивых температурных инверсий наблюдается на высоте 480–500 м
над ур. м. На высотном отрезке от 250 до 300–400 м над
ур. м. среднемесячные температуры возрастают с высотой в пределах 3,6–5,8 С, максимально – 7,7 С на каждые 100 м, на более высоких уровнях – 0,4–1,4 С [7].
Приведенные данные показывают, что в результате
проявления орографических инверсий происходит высотная дифференция экотопов по термическим условиям.
Это, в свою очередь, приводит к высотной дифференциации растительных сообществ. На такую закономерность
пространственной дифференциации лесной растительности, обусловленную орографическими инверсиями, указывали многие исследователи для разных природных
регионов нашей страны, в частности, Б.П. Колесников –
для Дальнего Востока и Урала, В.С. Порфирьев – для
Поволжья и др. Для Среднего Урала подобные закономерности отмечали Р.С. Зубарева и В.Г. Турков.
На Среднем Урале в подзоне южнотаежных лесов
пространственное распространение субнеморальных
темнохвойных лесов с участием липы Р.С. Зубарева и
В.Г. Турков напрямую связывали с орографическими
инверсиями. Р.С. Зубарева [8] отмечала, что данные
сообщества занимают наиболее теплые местоположения – господствующие платообразные вершины возвышенностей с абсолютными высотами 320–480 м над
ур. м. (условную нижнюю границу их распространения
определяет высотная изолиния 300 м над ур. м.), стабильные по температурному режиму в течение вегетационного периода, особенно в критические для растительности весенние и осенние месяцы. На остальных
элементах рельефа формируются бореальные темно1268
хвойные леса без участия липы. Р.С. Зубарева рассматривала насаждения с участием липы в подзоне южнотаежных лесов как своеобразные индикаторы верхней
границы инверсионного слоя [8].
В.Г. Турков [9] также отмечал эту закономерность
распространения субнеморальных темнохвойных лесов
с участием липы. Данные сообщества формируют на
склонах и вершинах фрагментарно выраженную высотную полосу, постепенно сужающуюся с запада на
восток от 150–200 до 30–50 м. Первостепенным фактором их пространственного положения является благоприятный термический режим средних и верхних частей горных склонов и невысоких плоских вершин, обусловленный явлением температурных инверсий [9].
Влияние инверсий на пространственное распространение лесных биоценозов указывались и для Предуралья. Р.С. Зубарева [10], проводившая исследования
в ряде районов Предуралья, в т. ч. в северной части
Уфимского плато, указывала, что лесообразующая
роль широколиственных пород проявляется в наиболее
теплых экотопах, менее всего подверженных отрицательным воздействиям температурных инверсий.
А.В. Письмеров [11] особенности пространственной дифференциации лесной растительности на Уфимском плато также связывал с пересеченным рельефом и
орографическими инверсиями. Он отмечал, что на повышенных элементах рельефа – на выпуклых вершинах
увалов и в верхних частях склонов (т. е. в пределах
теплого пояса) формируется неморальный флористический комплекс с широколиственными породами, а в
депрессиях и нижних частях склонов – бореальный
флористический комплекс без участия широколиственных пород.
Исследования, проведенные нами на Южном Урале
в провинции широколиственно-темнохвойных лесов
[12], показывают важную роль орографических инверсий в пространственной дифференциации лесных биоценозов. Инверсии проявляются на высотном отрезке
от 200–300 м (уровень днищ речных долин) до 600–700 м
над ур. м. (средние, верхние части склонов и вершины
увалов, а также средние и верхние части склонов среднегорных хребтов). Своего рода индикатором или маркером верхней границы слоя инверсии служит визуально наблюдаемая полоса распространения широколиственных лесов. С 2013 г. нами начали проводиться
инструментальные наблюдения за температурным режимом некоторых типов леса с использованием цифрового термометра-регистратора «Термохрон». Полученные результаты одного года подтверждают наличие
инверсионных явлений и существование высотной
дифференциации экотопов по термическим условиям
вследствие проявления орографических инверсий.
На основе качественных фитоценотических признаков лесных насаждений – степени участия в составе
древостоя широколиственных пород (что косвенно
отражает особенности термического режима экотопов),
нами выделены 4 типа экотопов-климатопов: теплые
контрастно-холодные, холодные и прохладные. Теплые
климатопы занимают высотное положение в т. н. теплой зоне (верхние части склонов высоких хребтов,
вершины невысоких гор, увалов на высотах 300–600 м
над ур. м.). Контрастно-холодные климатопы занимают
нижний высотный уровень (днища депрессий и прилегающие к ним склоны на высотах 200–300 м над ур. м.),
где в результате орографических инверсий, стока и застаивания холодного воздуха складываются неблагопри-
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.19, вып.5, 2014
ятные термические условия для развития и активного
участия в лесообразовательном процессе широколиственных пород. Холодные климатопы расположены выше
слоя инверсии, где происходит нормальное вертикальное распределение температуры, т. е. ее понижение с
высотой (положительный градиент), занимают верхние
части склонов высоких хребтов и вершины менее высоких хребтов на высотах 600–800 м над ур. м. Переходные полосы (экотоны) между теплыми климатопами, с
одной стороны, холодными и холодными-контрастными,
с другой – занимают прохладные климатопы.
С каждым климатопом связано распространение
определенной коренной лесной формации. Теплые
(мезотермальные) климатопы, характеризующиеся
наиболее высокой теплообеспеченностью и относительно мягким термическим режимом, располагаются в
широколиственных лесах. С контрастно-холодными
(криотермальные) и холодными (нанотермальные)
климатопами связано распространение темнохвойных
бореальных лесов. Условия контрастно-холодных климатопов из-за резко контрастного термического режима (частые заморозки в период вегетации, значительные амплитуды суточных температур) неблагоприятны
для произрастания широколиственных пород, условия
холодных климатопов также предельно ограничивают
или исключают произрастание широколиственных пород вследствие недостаточной теплообеспеченности и
укороченности вегетационного периода. Термические
условия прохладных (микротермальных) климатопов
позволяют совместно произрастать темнохвойным и
широколиственным породам, которые формируют смешанные широколиственно-темнохвойные леса [12].
Анализ приведенных материалов по 4 регионам позволяет сделать выводы: 1) роль орографических инверсий и, соответственно, их влияние на пространственную структуру лесной растительности наиболее
выражены в тех лесных регионах, где лесные сообщества формируют древесные виды, различающиеся требовательностью к термическим условиям, например,
широколиственные и темнохвойные породы. В регионах, где древесный ярус формируют виды с близкими
потребностями в отношении термического режима
(зоны тайги и широколиственных лесов), роль орографических инверсий в дифференциации растительности
менее значима. Так, например, в южнотаежных лесах
Сибири весь высотный профиль (плакоры и долины)
занимают темнохвойные леса, образованные тремя
видами – елью, пихтой и кедром с близкими экологобиологическими свойствами. В данном регионе пространственная дифференциация лесной растительности
проявляется слабо, на уровне ассоциаций темнохвойных лесов. На плакорах распространены насаждения с
доминированием пихты, а в долинах – кедра и ели [3].
В южнотаежных лесах Среднего Урала и Предуралья, в
состав которых входит липа, различия выражены резче.
При общем господстве бореального флористического
комплекса, на водоразделах (т. е. в теплом поясе) получает локальное распространение неморальный флористический комплекс с липой в древесном ярусе. То есть
здесь также наблюдается пространственная дифферен-
циация растительности на уровне ассоциаций темнохвойных лесов. Иная картина – в подзоне широколиственно-темнохвойных лесов. Здесь происходит высотная
дифференциация лесных биоценозов на уровне формаций. На положительных формах рельефа (т. е. в пределах теплого пояса) распространены широколиственные
леса, отрицательные элементы рельефа занимают бореальные леса [13]; 2) на возвышенностях мы наблюдаем
трехуровневую высотную дифференциацию климатопов; снизу вверх: контрастно-холодные – прохладные –
теплые. В горных районах наблюдается 5-уровневая
высотная дифференциация климатопов: снизу вверх –
контрастно-холодные – прохладные – теплые – прохладные – холодные [12].
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.,
2001.
Барри Р.Г. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
311 с.
Крауклис А.А. Структурно-динамический фациальный анализ
южнотаежного ландшафта Нижнего Приангарья // Южная тайга
Приангарья. Л., 1969. С. 32-119.
Крауклис А.А. Проблемы экспериментального ландшафтоведения.
Новосибирск, 1979. 232 с.
Кремер JI.K. Микроклиматические закономерности // Природные
режимы и топогеосистемы приангарской тайги. Новосибирск,
1975. С. 71-108.
Зубарева Р.С., Горячев В.М. Термический режим темнохвойных
лесов Среднего Урала как лесообразующий фактор // Роль экологических факторов в лесообразовательном процессе на Урале.
Свердловск, 1981. С. 3-16.
Турков В.Г., Шевелев Н.Н. К сравнительной характеристике местного климата водораздельного кряжа Среднего Урала // Роль экологических факторов в лесообразовательном процессе на Урале.
Свердловск, 1981. С. 41-48.
Зубарева Р.С. Ландшафтно-типологические комплексы как элемент лесорастительного районирования (на примере широколиственно-хвойных лесов Среднего Урала) // Тр. института экологии
растений и животных УНЦ АН СССР. 1972. Вып. 84. С. 64-77.
Турков В.Г., Туркова В.И. Пихтоельники липняковые южнотаежного Среднего Урала // Структура и динамика биогеоценозов
Урала. Свердловск, 1985. С. 28-48.
Зубарева Р.С. Классификация типов смешанных лесов предгорного Предуралья // Лесообразовательный процесс на Урале и в Зауралье. Свердловск, 1975. С. 3-52.
Письмеров А.В. Лесная растительность Уфимского плато // Горные леса Южного Урала. Уфа, 1971. С. 109-117.
Горичев Ю.П., Давыдычев А.Н., Алибаев Ф.Х., Кулагин А.Ю. Широколиственно-темнохвойные леса Южного Урала: пространственная дифференциация, фитоценотические особенности, естественное возобновление. Уфа, 2012. 176 с.
Порфирьев В.С. Хвойно-широколиственные леса ВолжскоКамского края: автореф. дис. … д-ра биол. наук. Л., 1970. 34 с.
Поступила в редакцию 20 мая 2014 г.
Gorichev Y.P. TEMPERATURE INVERSION AS FACTOR
SPATIAL DIFFERENTIATION OF FOREST FORMATIONS IN
URAL AND URAL REGION
Temperature inversions as the weather phenomenon have a
wide spread of the uplands and mountains. Inversions occur due to
orographic altitude differentiation ecotopes on the thermal regime,
which leads to spatial differentiation of forest phytocenoses. The
article provides a brief review of the material on the impact of
orographic inversions on the spatial structure of forest vegetation
on three regions – Ural region, Middle and Southern Urals.
Key words: temperature inversion; orographic inversion; klimatop.
Горичев Юрий Петрович, Южно-Уральский государственный природный заповедник, д. Реветь, Белорецкий
район, Республика Башкортостан, Российская Федерация, кандидат биологических наук, зам. директора по научной
работе, e-mail: [email protected]
Gorichev Yuri Petrovich, South Ural State Nature Reserve, setl. Revet, Beloretsk district, Republic of Bashkortostan,
Russian Federation, Candidate of Biology, Vice Director for Scientific Work, e-mail: [email protected]
1269