Решая вопрос о гидрометеорологической роли леса, научное исследование, конечно, не может ограничиваться лишь констатацией того или иного (положительного или отрицательного) влияния леса на водоносность рек. В обязательное требование к любому исследованию входит получение ответа на вопросы: почему это происходит, чем объясняется тот или иной эффект влияния леса, его вырубки или возобновления? Не ответив на эти вопросы, нельзя сделать каких-либо практических выводов.
В исследованиях, показывающих, что лес благотворно влияет на водоносность рек (годовой сток), обычно в качестве важной причины увеличения стока в лесных бассейнах выдвигается предположение о том, что в лесу выпадает больше атмосферных осадков, чем на открытых, безлесных территориях. Это связывают с возрастанием динамической шероховатости над лесом, замедляющей движение воздушного потока. Подходя к лесной опушке, он как бы приподнимается, что вместе с увеличением шероховатости, создаваемой кронами деревьев, способствует конденсации паров, стимулирует выпадение осадков.
Теоретически такое объяснение представляется достаточно убедительным, однако доказать это практически, с помощью измерений в натуре, нелегко. Без подтверждения же увеличения осадков на залесенных участках данными измерений этот вывод, основанный на общих соображениях, не может считаться убедительным.
Существует немало исследований, в которых авторы пытаются найти подтверждение факту увеличения осадков над лесом с помощью специальных экспериментальных исследований и обобщения материалов стандартных осадкомерных наблюдений на сети гидрометеорологических станций и постов.
Для того чтобы читатель мог представить сложность задачи, придется несколько коснуться методики этих исследований.
Экспериментальные исследования обычно заключаются в установке осадкомеров параллельно в поле и в лесу. В поле, очевидно, выбрать место для осадкомера сравнительно легко: по возможности дальше от опушки леса, чтобы лес не оказывал влияния. В лесу это сделать непросто. Выбрать место для осадкомера в лесу надо так, чтобы результаты могли дать надежный ответ на вопрос о том, как влияет лес на атмосферные осадки. В лесу правильность и надежность учета выпадения и количества осадков во многом зависят от места установки осадкомера. Если осадкомер установить под пологом леса, то априори можно сказать, что он покажет меньшее количество осадков, так как часть их, задержанная кронами деревьев, испарится. Особенно значительная доля осадков задерживается на кронах деревьев зимой, когда выпадает снег. При этом количество задержанных осадков будет во многом зависеть от характера древостоя, его видового состава, возраста, густоты.
Обычно в экспериментальных исследованиях за эталон принимают показания осадкомера, установленного на поляне внутри большого лесного массива. Эти показания сравнивают с показаниями осадкомера, установленного в поле, и по их разности судят о влиянии леса на количество осадков.
Теперь допустим, что такие исследования проведены и они показали (а обычно они так и показывают), что в лесу осадков выпадает больше, чем в поле.
Но насколько надежен и обоснован такой вывод? Можно ли отнести полученную разницу на счет влияния именно леса?
И здесь неизбежно придется коснуться одного из запутанных вопросов гидрометеорологической науки — вопроса о точности измерения количества осадков существующими осадкочерами. Вопрос этот имеет большую историю.
Казалось бы, чего проще — поставить осадкомерный сосуд (ведро) и в определенные сроки измерить мерным стаканом, сколько осадков в него попало. Многие видели и хорошо знают, как это делается. Хотя осадки на гидрометеорологических станциях таким образом измеряются не один десяток лет, оказывается на поверку, что с помощью осадкомера улавливаются далеко не все фактически выпавшие осадки. Часть их затрачивается на смачивание стенок осадкомерного сосуда, часть испаряется за время, прошедшее между сроками наблюдений. Но это не все. Самая значительная часть осадков не попадает в осадкомер при ветре, выдувается из него. Особенно если осадки выпадают в виде снега.
Чем больше скорость ветра, тем большее количество осадков недоучитывают осадкомеры. В районах, где значительная часть осадков выпадает в виде снега при больших скоростях ветра, неучтенными оказываются 20—30, иногда более 50% выпавших осадков. Вопрос о недоучете осадков осадкомерами в результате выдувания в настоящее время довольно хорошо изучен. Имеются конкретные предложения об «исправлении» измерительных осадков путем введения поправок в зависимости от скорости ветра.
Теперь, после этого отступления, вернемся к описанному выше эксперименту и посмотрим, можно ли различие в количестве осадков, измеренных в поле и на лесной поляне, рассматривать как надежное подтверждение различия истинных осадков в поле и в лесу.
Прежде всего, для ответа на этот вопрос необходимо учесть различия ветрового режима в местах установки осадкомеров — в поле и в лесу (на лесной поляне). Очевидно, скорость ветра в поле будет больше, чем на лесной поляне, защищенной от ветра со всех сторон (величину осадков, измеренных на поляне, иногда принимают за истинные осадки, так как влияние ветра здесь практически не сказывается). Но тогда и недоучет осадков осадкомером, установленным в поле, будет больше, чем в лесу. Следовательно, различие в количестве осадков в поле и в лесу можно объяснить не только влиянием леса, но и недоучетом осадков в поле в результате различия в скорости ветра. Если осадкомер, установленный в поле, защитить от ветра и тем самым уменьшить недоучет осадков, то различия в количестве осадков, возможно, и не будет совсем.
Наряду с довольно многочисленными экспериментальными исследованиями (параллельными измерениями осадков), которые обычно показывают, что в лесу за год выпадает на 10—30% осадков больше, чем на открытых участках, существуют попытки оценить соотношение количества осадков в поле и в лесу по данным обычных наблюдений на длительное время работающей сети метеорологических станций. Количество осадков при этом сопоставляют с той или иной характеристикой лесистости прилегающего к станции района. Часто за такой район принимался, например, просто круг радиусом 30 км (Г. П. Калинин, 1950 г.) или 10 км (В. В. Рахманов, 1959 г.), в центре которого расположена метеостанция.
Исследования, выполненные на основе обобщения данных обычных сетевых наблюдений с привлечением данных по большому количеству метеостанций, как будто бы подтверждают вывод о том, что в залесенных местах выпадает осадков несколько больше (по Калинину, на 10%), чем в открытой местности. Однако эти выводы еще в большей мере, чем результаты специальных исследований, подвергаются сомнению и у нас, и за рубежом. Причина сомнений такая: разница не в степени залесенности, а в скорости ветра, возможно, является главной причиной различия величин измеренных осадков. Не случайно отсутствие связи осадков с лесистостью было отмечено и на Международном симпозиуме по влиянию леса на внешнюю среду (Москва, 1970 г.).
По-видимому, следует согласиться с А. И. Субботиным, который в статье «Влияет ли лес на осадки?» (1979 г.) пишет: «Точность современных данных о количестве осадков такова, что на основании их нельзя уверенно судить о наличии разницы в осадках над лесом и над безлесными участками».
Вопрос, таким образом, остается все еще открытым. В связи с этим в настоящее время предпринимаются усилия по разработке осадкомерных приборов, уменьшающих недоучет осадков под влиянием ветра. Предлагается, например, в качестве эталона использовать осадкомер Третьякова с двойной заборной защитой или осадкомер, установленный в кустарнике, срезанном на уровне его приемного отверстия (В. С. Голубев).
Чем более ученые углубляются в проблему гидроклиматической роли леса, тем сложнее она представляется. Среди многих ученых, посвятивших свои исследования этой проблеме, значительный вклад в ее решение внес Степан Федорович Федоров. В течение более 25 лет под его руководством на базе Валдайской научно-исследовательской гидрологической лаборатории проводятся экспериментальные исследования влияния леса на осадки, сток, испарение и другие элементы водного баланса; по своей глубине равных этим наблюдениям, пожалуй, нет ни в одной другой стране мира.
Вот к каким выводам пришел в отношении влияния леса на осадки Федоров в своей докторской диссертации «Экспериментальные исследования испарения и водорегулирующей роли леса» (1979 г.), в которой подведены итоги его исследований, отличающихся исключительной скрупулезностью. «Количество осадков, — пишет он, — измеренное на лесных полянах, отличается от действительного количества осадков, выпадающего на лесной массив. Это несоответствие обусловлено, с одной стороны, так называемым аэродинамическим эффектом поляны (попросту уменьшением скорости ветра. — А. С.), а с другой — экранизирующим влиянием древостоя, т. е. влиянием стены леса на траекторию движения капель дождя и снежинок».
Аэродинамический и экранирующий эффекты оказывают противоположное влияние на накопление осадков на лесной поляне: первый — способствует большему накоплению осадков, а второй — меньшему. Однако могут быть поляны такого размера, когда это влияние взаимно компенсируется. В этом случае величина осадков на такой поляне (индикаторной) не будет отличаться от суммы осадков, выпадающих на лесной массив.
Резюмируя свои выводы о влиянии леса на жидкие и твердые осадки (снег), Федоров пишет: «В целом за годовой период средние многолетние значения осадков на лесных и полевых водосборах в условиях Новгородской области различаются на 40—50 мм. Влияние леса на увеличение осадков над лесом по сравнению с полем в основном сказывается в теплый период года».