Микроклиматы — это локализованные атмосферные зоны, где климат отличается от окружающего общего региона. Эти изменения могут происходить на расстояниях от нескольких метров до нескольких километров, на которые влияют в первую очередь топография, растительность, водоемы и деятельность человека. Понимание микроклиматов имеет решающее значение для сельского хозяйства, виноградарства, городского планирования, снижения риска бедствий и сохранения экосистем. Среди наиболее выраженных и влиятельных микроклиматов встречаются в горных и прибрежных районах, где географические особенности создают резкие градиенты температуры, влаги, ветра и солнечного излучения. В этой статье рассматриваются различные микроклиматические характеристики этих двух сред, сравниваются их основные механизмы и обсуждаются их практические последствия.

Микроклимат в горных районах

Горы создают микроклиматы через резкие изменения в возвышении, ориентации наклона и топографическом экранировании. Вертикальный подъем на несколько сотен метров может привести к изменению климата, эквивалентному сотням километров широты. Возвышение, аспект, форма долины и местные водоемы взаимодействуют, создавая мозаику условий.

Градиенты высоты и температуры

Температура снижается при высоте в среднем примерно 6,5 °C на 1000 метров (скорость экологической выпадения), но это значение варьируется в зависимости от влажности, времени суток и сезона. В солнечные летние дни скорость выпадения может быть более крутой, особенно на сухих склонах, в то время как ночью она может приближаться к сухой адиабатической скорости. Этот вертикальный градиент означает, что горная база может поддерживать средиземноморскую растительность, в то время как вершина испытывает альпийскую тундру. Например, Сьерра-Невада в Калифорнии демонстрирует переход от дубового леса на низких высотах к субальпийским лесам и, наконец, к бесплодной скале над линией деревьев.

Холодный дренаж и температурные инверсии ещё больше усложняют горные микроклиматы. Ночью густой холодный воздух стекает вниз по склону и собирается в долинах, создавая «холодный бассейн», который может быть на несколько градусов холоднее, чем прилегающие склоны. Это явление особенно ярко выражено в закрытых бассейнах и может привести к морозным карманам, повреждающим чувствительные культуры. И наоборот, в средних положениях часто бывают самые теплые температуры зимой, потому что они сидят над холодным воздушным бассейном, но ниже самых высоких, продуваемых ветром хребтов.

Ориентация и аспект слоупа

Аспект — направление, в котором склон обращен к поверхности — оказывает огромное влияние на поступающее солнечное излучение. В Северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше прямых солнечных лучей и, следовательно, теплее, суше и имеют более раннее таяние снега, чем склоны, обращенные на север. Эта разница может быть эквивалентна сдвигу на сотни метров в высоту. Горнолыжные курорты выбирают склоны, обращенные на север, для более длительного удержания снега, в то время как виноградники в горных регионах часто предпочитают воздействия, обращенные на юг, для оптимального созревания винограда. Тот же принцип применяется в Южном полушарии, где склоны, обращенные на север, являются более холодным, более темным аспектом.

Дождевые тени — ещё одно явление, связанное с аспектом. Когда преобладающие ветры вынуждают влажный воздух подниматься вверх по горному хребту, воздух охлаждается, конденсируется и осадки на наветренной стороне. К тому времени, когда воздух опускается на подветренной стороне, он сухой и часто более теплый, создавая засушливый микроклимат. Большая Бассейн к востоку от Сьерра-Невады — классическая дождевая тень пустыни. Даже в пределах отдельных долин подветренные склоны могут получать лишь часть осадков, которые получают наветренные склоны, что приводит к резким контрастам в растительности и влажности почвы на протяжении нескольких километров.

Долина и бассейн микроклиматы

Долины и бассейны усиливают определённые микроклиматические эффекты. Днем пол долины нагревается и поднимается теплый воздух, оттягивая более прохладный воздух от смежных склонов. Это создаёт суточную циркуляцию горно-долиного ветра, которая может влиять на местное облачное образование и рассеивание загрязнения. Ночью происходит обратная картина. В глубоких, узких долинах воздействие солнца может быть сильно ограничено, в результате чего темные, прохладные микроклиматы остаются затененными большую часть дня. И наоборот, широкие, открытые долины с южными стенами могут выступать в качестве солнечных коллекторов, производя необычно теплые микроклиматы.

Горные микроклиматы также влияют на динамику снежного покрова. Снежное альбедо, глубина и время таяния сильно различаются на коротких расстояниях. Перераспределение снега от гребня до дрейфов на стороне ли создает глубокие снежные пятна, которые сохраняются долго после того, как окружающие районы голые, обеспечивая поздний сезон источником воды. Понимание этих снежных микроклиматов имеет решающее значение для управления водными ресурсами в регионах, зависящих от таяния снега.

Модели осадков и орографический лифт

Орографические осадки — наиболее характерная особенность горных микроклиматов.Поскольку воздух вынужден подниматься над барьером, он охлаждается и, если достаточно влажный, производит облака и осадки.Количество осадков может резко увеличиваться с возвышением до определённой точки, то снижаться вблизи вершины по мере того, как воздух истощается от влаги.Это создаёт отчётливые микрозоны осадков: влажные предгорья, пояс максимальных осадков на средних подъёмах и более сухая высокая вершина.На Гавайях, например, наветренные склоны горы Вайалеале получают более 10 000 мм осадков ежегодно, а подветренное побережье почти пустынно.

Интенсивность орографических осадков также зависит от угла наклона, скорости ветра и стабильности воздушной массы. Степерные склоны производят более энергичный подъем и часто более сильный дождь. Горы вблизи теплых океанских течений испытывают особенно высокие осадки из-за обилия влаги в морском воздухе. Эта динамика приводит к мелкомасштабным микроклиматам, которые могут меняться всего на несколько сотен метров, поддерживая высокоспециализированные сообщества растений и животных.

Микроклимат в прибрежных регионах

Прибрежные микроклиматы формируются, прежде всего, взаимодействием между сушей и большим водоемом. Вода имеет более высокую удельную теплоемкость, чем земля, то есть нагревается и охлаждается медленнее. Эта тепловая инерция смягчает температуру вдоль береговых линий, производя эффекты, которые простираются наглухо в зависимости от топографии и преобладающих ветров.

Морское влияние и умеренность температуры

Наиболее универсальный прибрежный микроклимат - более мягкий годовой температурный диапазон по сравнению с внутренними местоположениями на той же широте. Прибрежные города, такие как Сан-Франциско, Кейптаун и Мельбурн, испытывают летние максимумы, которые часто на 5-10 ° C холоднее, чем близлежащие внутренние районы, в то время как зимние минимумы на несколько градусов теплее. Эта умеренность наиболее выражена, где преобладающие ветры дуют из океана на землю. В средиземноморском климате прибрежные полосы зеленые и умеренные, в то время как всего несколько километров внутри страны пейзаж становится засушливым и жарким.

Морское влияние неоднородно. Прибрежные микроклиматы различаются в зависимости от ориентации береговой линии относительно солнечных и ветровых моделей. Западные побережья в средних широтах обычно подвергаются сдерживающему воздействию океана круглый год, в то время как восточно-обратные побережья могут испытывать большие сезонные экстремальные температуры, потому что они находятся под влиянием континентальных воздушных масс в течение части года. В таких регионах, как Тихоокеанский северо-запад Соединенных Штатов, прибрежная зона прохладная и влажная, тогда как Олимпийская тень дождя создает поразительно более сухой микроклимат на подветренной стороне Олимпийских гор, даже в пределах видимости океана.

Морские бризы и сухопутные бризы

В солнечные дни земля нагревается быстрее, чем примыкающий к ней океан, в результате чего воздух над сушей поднимается и привлекает более холодный, плотный воздух с моря. Этот морской бриз может охлаждать прибрежные районы на несколько градусов и повышать влажность и облачность. Морской бриз фронта часто продвигается вглубь страны днем, принося внезапное падение температуры и сдвиг в направлении ветра. В некоторых тропических и субтропических прибрежных городах морской бриз является жизненно важным источником облегчения и формирует ежедневный спрос на энергию.

Сухопутные бризы возникают ночью, когда земля остывает быстрее воды. Холодный, плотный воздух над сушей течет к морю, часто принося сухие, ясные условия к побережью. Эти суточные циркуляции сильнее всего летом и могут проникать на десятки километров внутрь страны. Они также влияют на местные туманы и облачные структуры, так как морской ветер может адвировать низкослойные облака на побережье, создавая стойкий морской слой, который сгорает только днем.

Океанские течения и эффекты апвеллинга

Океанские течения оказывают мощное влияние на прибрежные микроклиматы. Теплые течения, такие как Гольфстрим у восточных штатов США, повышают температуру прибрежного воздуха, повышают влажность и усиливают осадки. Холодные течения, такие как Калифорнийский или Гумбольдтский, производят противоположный эффект: охлаждают воздух, уменьшают испарение и часто генерируют обширный прибрежный туман. Пояс тумана вдоль берегов Калифорнии, Орегона и Перу — классическая микроклиматическая зона, где адвекционный туман конденсируется на растительности, обеспечивая критический источник влаги в иных засушливых регионах. Этот туман капает может быть значительным компонентом водного бюджета прибрежных красных деревьев и других эндемичных видов.

Обстановка на возвышенностях — подъем холодной, богатой питательными веществами воды с глубины — усиливает охлаждающий эффект холодных течений. Такие места, как побережье северного Чили, испытывают стойкий, прохладный и сухой микроклимат, который поддерживает уникальные зависящие от тумана экосистемы (ломы). Напротив, районы, на которые влияют теплые течения, такие как юго-восточное побережье Бразилии, имеют теплые влажные микроклиматы, которые поддерживают тропические леса вплоть до берега.

Прибрежный туман и облачные микроклиматы

Туман является определяющей чертой многих прибрежных микроклиматов. Когда теплый, влажный воздух проходит через холодное океанское течение, он охлаждается до точки росы и образует толстый берег облаков или тумана. Эти слои тумана могут быть мелкими - часто всего несколько сотен метров толщиной - но они резко изменяют местные условия. Прибрежный туман уменьшает солнечную радиацию, снижает дневные температуры и повышает влажность. В некоторых местах туман обеспечивает основной источник влаги в течение сухого лета, поддерживая растительность, которая в противном случае не смогла бы выжить. Пустыня Намиб, например, получает почти никаких осадков, но поддерживает жизнь благодаря туману, который врывается из Атлантики.

Туманные микроклиматы сильно различаются в пространстве и времени. На них влияет береговая топография: наголовье и крутые скалы могут перехватить туман, создавая влажные карманы, в то время как близлежащие низменные пляжи могут оставаться чистыми. В средиземноморских климатических регионах побережье может быть окутано туманом, а районы всего в нескольких сотнях метров внутри страны солнечные и теплые, создавая резкую границу, которая влияет на комфорт человека и выбор урожая.

Сравнение горных и прибрежных микроклиматов

В то время как горы и побережья создают микроклиматы посредством географического воздействия, основные механизмы и модели, которые приводят к этому, различаются по основным параметрам.

Переменная температура

Горные микроклиматы демонстрируют гораздо большую изменчивость температуры на коротких расстояниях, чем прибрежные микроклиматы. Изменение высоты в несколько сотен метров может привести к разнице температур в несколько градусов, в то время как движение от склона, обращенного к югу, к склону, обращенному к северу, может привести к еще большему качению. В прибрежных районах температурные градиенты, как правило, более постепенны, с морским влиянием, простирающимся внутри страны на километры. Однако, где горы встречаются с побережьем, два эффекта объединяются, чтобы произвести некоторые из самых разнообразных микроклиматов на Земле. Прочные береговые линии Норвегии и Британской Колумбии, например, имеют как фьордовые микроклиматы (с мягкими, влажными зимами и прохладным летом), так и прилегающие альпийские микроклиматы (с холодными, снежными условиями) в непосредственной близости.

Режимы осадков

Прибрежные микроклиматы, как правило, более последовательны в своих моделях осадков по сравнению с горами, где орографическое воздействие создает резкие градиенты осадков. Горы могут создавать дождевые тени, которые превращают область с годовым количеством осадков, превышающим 3000 мм, в область, получающую менее 500 мм на расстоянии 20 км. Побережья также могут иметь значительные градиенты осадков, особенно там, где горы поднимаются непосредственно из моря, но при отсутствии подъема прибрежные осадки имеют тенденцию быть более однородными. Прибрежный туман является уникальной формой осадков (хотя технически не дождь), которая отсутствует в большинстве внутренних горных сред.

Экологические последствия

Как горные, так и прибрежные микроклиматы поддерживают высокий уровень биоразнообразия, обеспечивая разнообразие мест обитания на небольшой территории. В горах градиент высоты позволяет сдвиги в зонах растительности, которые имитируют широтные пояса, позволяя видам адаптироваться к изменяющемуся климату путем миграции вверх по склону. В прибрежных районах взаимодействие между морскими и наземными средами создает экотонны, богатые эндемичными видами и обеспечивающие критические места остановки для перелетных птиц. Планировщики сохранения все чаще рассматривают микроклиматические рефугии - небольшие районы, где местный климат остается подходящим даже при более широком нагревании региона - как важный инструмент для защиты биоразнообразия. Как горные, так и прибрежные микроклиматы, как ожидается, будут сохраняться в качестве рефугии из-за их топографической сложности и термического буферизации, соответственно.

Практические последствия и приложения

Знание микроклимата применяется в различных областях, от сельского хозяйства до архитектуры и возобновляемых источников энергии.

Сельское хозяйство и виноградарство

В горных районах фермеры используют склон и высоту для выращивания культур, которые требуют определенных температур и режимов влажности. Кофе, выращенный на затененных склонах с севера в Центральной Америке, созревает медленнее, производя бобы более высокого качества. В Андах террасы построены для захвата и сохранения тепла в холодные ночи. Виноградники являются одними из самых чувствительных к микроклимату сельскохозяйственных операций. Лучшие винодельческие регионы (Бордо, Долина Напа, Мосель) обязаны своей репутацией уникальным комбинациям аспекта, высоты и близости к воде, которые создают оптимальные условия созревания. Прибрежное сельское хозяйство извлекает выгоду из умеренного эффекта океана, который снижает риск заморозков весной и защищает культуры вдоль побережья Калифорнии позволяют культурам, таким как артишоки и клубника, процветать в сухое лето.

Городское планирование и архитектура

Городские планировщики используют данные о микроклимате для проектирования более комфортных и энергоэффективных городов. В горных городах здания часто ориентированы на максимизацию зимнего солнечного прироста при обеспечении тени летом. Зеленые крыши и отражающие материалы могут смягчить эффект городского теплового острова, который усугубляется в долинах, где циркуляция воздуха ограничена. В прибрежных городах архитекторы проектируют морские бризы для обеспечения естественной вентиляции, снижая спрос на кондиционирование воздуха. Размещение парков и водных объектов может создать местные зоны охлаждения, которые улучшают микроклиматическое качество.

Обстановка для возобновляемой энергии

Ветровые и солнечные энергетические установки требуют детального микроклиматического анализа. Горные хребты предлагают сильные, устойчивые ветры для турбин, но они также испытывают обледенение и турбулентность, которые должны управляться. Солнечные фермы извлекают выгоду из склонов, обращенных на юг, с минимальным облачным покровом, но прибрежный туман может значительно уменьшить солнечное излучение, что делает некоторые прибрежные зоны неоптимальными для фотоэлектрических элементов, несмотря на их в противном случае умеренный климат. И наоборот, прибрежные районы с сильными морскими бризами являются основными местами для морской энергии ветра.

Сохранение и адаптация климата

По мере повышения глобальной температуры микроклиматы все чаще признаются потенциальными рефугиями для видов, неспособных мигрировать на большие расстояния. Горные микроклиматы обеспечивают более прохладные карманы на более высоких высотах, известных как климатические рефугии, где виды могут сохраняться. Консерваторы картируют эти рефугии для приоритетной защиты. Прибрежные микроклиматы, особенно с стойким туманом, также могут буферизировать против засухи и тепловых волн. Сохранение экосистем туманной зоны, таких как прибрежные леса красного дерева, является приоритетом, потому что они обеспечивают уникальную среду обитания, которая уже адаптирована к прохладным, влажным условиям.

Городские микроклиматы можно манипулировать для снижения теплового стресса с помощью холодных тротуаров, навеса деревьев и зеленой инфраструктуры. Понимание того, как горы и побережья генерируют свои микроклиматы, дает планировщикам и экологам основу для проектирования устойчивых ландшафтов и принятия решений на основе фактических данных.

Заключение

Микроклиматы в горных и прибрежных районах управляются различными физическими процессами - повышением и аспектом в первом, морским влиянием и морскими бризами в последнем - но оба производят условия, которые существенно отличаются от регионального климата. Эти небольшие климатические зоны имеют глубокие последствия для биологии, сельского хозяйства, поселений и использования энергии. Признание моделей и факторов микроклиматических изменений имеет важное значение для управления природными ресурсами, адаптации к изменению климата и проектирования устойчивых построенных сред. Читая местность и небо, землеустроители и сообщества могут использовать преимущества микроклиматов, одновременно смягчая их риски.

Для дальнейшего чтения и данных о глобальных моделях микроклимата см. Интерактивные карты , руководящие принципы Всемирной метеорологической организации по микроклиматическим наблюдениям и Исследование изменения климата в природе по микроклиматической рефугии .