КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. АЛЬ–ФАРАБИ

 

 

 

 

Географический факультет

 

Кафедра метеорологии

 

 

 

 

 

ДИПЛОМНАЯ   РАБОТА

 

Летний приток радиации на юге казахстана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Дипломная работа общим объемом 59 страниц машинописного текста содержит 11 рисунков, 6 таблиц. Список используемых источников состоит из 31 наименования.

Ключевые слова: солнечная радиация, атмосфера, солнечная постоянная, радиационный баланс, лучистая энергия, коэффициент прозрачности, фактор мутности, ультрафиолетовая радиация (УФР).

В данной работе изучены особенности притока радиации при различных условиях облачности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в летние месяцы за период с 1998 по 2000 года. Рассчитаны фактические суточные суммы прямой солнечной радиации для каждого года. Рассчитан коэффициент прозрачности атмосферы. Проведен статистический анализ данных и выявлены синоптические условия, приводящие к аномальному распределению притока солнечной радиации на юге Казахстана.

Для написания работы были использованы данные научно-прикладного справочника по климату СССР за многолетний период и актинометрические наблюдения за 1998-2000 гг. Для выявления синоптических условий были рассмотрены среднемесячные приземные поля и поля Н₅₀₀.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 1 Лучистая энергия Солнца 1.1 Основные законы излучения 1.2 Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли 1.3 Рассеяние солнечной радиации в атмосфере 1.4 Некоторые радиационные характеристики, измеряемые и получаемые на актинометрических станциях 2 Физико-географическое и климатическое описание станций 3 Многолетний приток солнечной радиации на юге Казахстана 3.1 Прямая солнечная радиация 3.2 Рассеянная радиация 3.3 Суммарная радиация 4 Особенности месячного поступления прямой солнечной радиации на юг Казахстана     4.1 Вычисление коэффициента прозрачности атмосферы 5 Структура внутрисуточного распределения прямой солнечной радиации     5.1 Расчет статистических характеристик суточных сумм прямой         солнечной радиации   5.2 Синоптические условия формирования приземного поля и поля          Н500 суточных сумм прямой солнечной радиации Выводы Список использованных источников Приложение А

с. 4 6 9 12 13   14 21 24 24 26 28   31 40   42   48   50 54 55 57

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Проблема исследования в области использования солнечной энергии упоминается в межгосударственных и многосторонних соглашениях по научно-техническому сотрудничеству. Во многих странах разразился энергетический кризис, человечество впервые реально почувствовало, что запасы ископаемого топлива, и прежде всего жидкого (нефти), не беспредельны. Такие динамично развивающиеся страны, как Китай и Индия, уже ощущают дефицит энергоресурсов, сдерживающий развитие их экономик. В области энергетических ресурсов угроза истощения запасов топлива объективно существует, что заставляет заблаговременно изыскивать новые, достаточно мощные источники энергии.

Кроме того, в последние годы весьма остро встал вопрос о защите окружающей среды, поскольку промышленность ведет к необратимым нарушениям существующего в природе равновесия. Современная топливная энергетика играет не последнюю роль в загрязнении воздушного и водного бассейнов вредными выбросами, а также в “тепловом загрязнении” окружающей среды. Таким образом, энергоисточник, призванный заменить ископаемое топливо и обеспечить энергетические потребности, должен быть не только достаточно мощным, но в определенной степени экологически “чистым”.

Нефть, уголь, уран, природные энергоресурсы – основные источники энергии, имеющие, за исключением последних, практически более или менее временные границы своего использования. Предстоящие десятилетия будут связаны со значительными инвестициями, направленными на рост добычи всех видов энергоресурсов и их доставку к местам использования.

Ожидается, что к концу 21 века солнечная энергетика станет доминирующей, доля ее достигнет 86 %  от общего объема. Актуальность этой задачи обуславливается и необходимостью изъятия части поступающей на Землю солнечной энергии с целью недопущения ее перегрева.

Оценивая перспективы будущего, мы должны отметить три основные проблемы, стоящие перед человечеством: обеспечение населения пищей, энергией и сохранение природных условий, пригодных для жизни. Решение этих трех задач в значительной степени может быть связано с использованием солнечной энергии. Что касается обеспечения человечества энергией, то солнечное излучение по своим энергетическим ресурсам вполне способно удовлетворить энергетические потребности будущих поколений /1/.

По мнению специалистов, отставание кремниевого производства от уранового связано с многомиллиардными вложениями в долларовом исчислении в развитие атомной энергетики по военным программам, в то время как из-за недостаточности средств кремниевая технология, оставаясь на первоначально низком уровне, сохраняет свои отрицательные черты – высокую энергоемкость, низкую рентабельность, растущие экологические риски.

Казахстан, обладая достаточным сырьевым, производственным, научно-техническим потенциалом, имеет хорошие перспективы для создания собственной кремниевой программы и организации полноценной гелиоэнергетической отрасли.

Для практического использования солнечной энергии благоприятными факторами являются высокая интенсивность прямой солнечной радиации, большая продолжительность солнечного сияния и высокая температура воздуха. Оценка этих ресурсов солнечной энергии позволяет выделить районы, в которых наиболее целесообразно применять гелиоустановки. Применительно для территории Казахстана наибольшая продолжительность солнечного сияния и приток прямой радиации приходится на юго-восточные районы республики (Айдарлы, Балхаш).

Широкое использование солнечной энергии позволит экономить топливо и уменьшить загрязнение окружающей среды. При этом имеется в виду использовать простейшие низкопотенциальные солнечные установки для хозяйственных нужд (горячего водоснабжения, охлаждения зданий, опреснения воды, сушки сельскохозяйственных продуктов, отопления культивированных сельскохозяйственных сооружений) практически на всей территории Казахстана /2/.

В данной дипломной работе были изучены особенности притока солнечной радиации при различных условиях облачности  на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в летние месяцы за период с 1998 по 2000 года. Рассчитан коэффициент прозрачности атмосферы. Проведен статистический анализ данных и выявлены синоптические условия, приводящие к аномальному распределению притока солнечной радиации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ЛУЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

 

 

Лучистая энергия Солнца является практически единственным источником энергии, за счет которой совершаются атмосферные движения и происходят многие разнообразные процессы в атмосфере и поверхностных слоях земной коры. Коротко упомянем основные характеристики Солнца как источника радиации.

Солнце представляет собой сферическое тело (диаметром 1.39·10⁶ км) из раскаленного газообразного вещества, отстоящее от Земли на расстоянии             ~ 1,5·10⁸ км. По наблюдениям с Земли, Солнце делает один оборот вокруг своей оси примерно за четыре недели. Однако оно вращается не как твердое тело: экваториальная область совершает каждый оборот за 27 суток, а полярные районы – за 30 суток.

Поверхность Солнца имеет эффективную температуру ~ 5762 К. Температура центральных внутренних областей, по разным оценкам, составляет 8·10⁶ – 40·10⁶ К, а их плотность примерно в 80-100 раз превышает плотность воды. Солнце представляет собой непрерывно действующий термоядерный реактор, котлом которого являются составляющие его газы, удерживаемые гравитационными силами /3/.

Предполагается, что поверхность Солнца образована гранулами, или нерегулярными конвективными ячейками, с размерами 1000-3000 км и временем существования, исчисляемым несколькими минутами. Верхний слой конвективной зоны называется фотосферой. Она существенно не прозрачна, поскольку составляющие ее газы сильно ионизированы и способны поглощать и испускать излучение в непрерывном спектре. Фотосфера является источником большей части солнечного излучения.

За пределами фотосферы атмосфера Солнца более или менее прозрачна и ее можно наблюдать во время полного солнечного затмения или с помощью приспособлений, заслоняющих солнечный диск. Над фотосферой находится слой более холодных газов толщиной в несколько сотен км, называемый обращающим слоем. Выше расположен слой толщиной ~ 10 000 км, называемый хромосферой. Это – газообразный слой с температурой несколько более высокой, чем в фотосфере, и с более низкой плотностью. Еще дальше от центра находится корона с очень низкой плотностью и очень высокой (10⁶ К) температурой. Рост температуры в хромосфере и короне принято объяснять рассеянием энергии звуковых и других волн, которые возникают в конвективной зоне.

Скорость истечения плазмы вблизи Солнца относительно мала, а затем она растет и вблизи орбиты Земли достигает нескольких сотен км в секунду. Поток заряженных частиц – корпускул, летящих от Солнца во всех направлениях, получил название солнечного ветра.

Солнечная атмосфера, и в частности фотосфера, весьма неоднородна и неспокойна. В ней наблюдаются факелы, флоккулы, хромосферные вспышки и другие процессы, являющиеся источниками корпускулярных потоков, более сильных, чем солнечный ветер. Особенно резко возрастает корпускулярное и электромагнитное излучение Солнца при хромосферных вспышках продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов.

В фотосфере возникают относительно холодные образования                                   (температура ~ 4600 К) неправильной формы с очень сильными магнитными полями, получившие название солнечных пятен. Они обычно появляются группами в широтных зонах от 35 до 5 ° по обе стороны от солнечного экватора и существуют от нескольких часов до нескольких месяцев.

Весь комплекс кратко описанных нестационарных явлений в солнечной атмосфере называют солнечной активностью. Для ее количественной характеристики используются различные индексы. Наиболее распространенный среди них – число Вольфа W, пропорциональное сумме общего числа пятен f и удесятеренного числа их групп g:

 

                                                                                          (1)

 

где

k – эмпирический коэффициент.

Числа Вольфа во время минимума солнечной активности изменяются от 0 до 11, а во время максимума – от 40 до 240 /4/.

Весь спектр излучения Солнца принято делить на ряд областей (в скобках указаны граничные длины волн λ):

• гамма-лучи (λ < 10^-5 мкм),
• рентгеновское излучение (10^-5 < λ < 10^-2 мкм),
• УФР (0,01 < λ < 0,39 мкм),
• видимое излучение спектра, или видимый свет (0,39 < λ < 0,76 мкм), который в свою очередь подразделяется на семь цветов (табл.1),

 

Таблица 1  Длины волн, соответствующие различным цветам

 

Цвет	Интервал длин волн, мкм	Цвет	Интервал длин волн, мкм
Фиолетовый	0,390-0,455	Желтый	0,575-0,585
Синий	0,455-0,485	Оранжевый	0,585-0,620
Голубой	0,485-0,505	Красный	0,620-0,760
Зеленый	0,505-0,575

 

• инфракрасная радиация (0,76 < λ < 3000 мкм),
• радиоволновое излучение (λ > 0,3 см).

Выделяют также близкий ультрафиолетовый (0,29-0,39 мкм) и близкий и близкий инфракрасный (0,76-2,4 мкм) участки спектра.

Излучательная способность Солнца близка к излучательной способности абсолютно черного тела с температурой ~ 6000 К. Однако излучение Солнца близко к излучению абсолютно черного тела только в видимой и близких инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра /5/.

Считая Солнце по своим свойствам близким к абсолютно черному телу, можно оценить температуру Солнца. При этом разные методы дают несколько различные результаты. Максимум излучательной способности Солнца приходится на видимый участок спектра, на длину волны λ_m= 0,4738 мкм. На основании закона Вина получаем так называемую яркостную температуру Солнца: T_c = 6116 К.

Второй метод определения температуры Солнца основан на формуле для потока излучения и на понятии солнечной постоянной. Количество солнечной радиации, поступающее на верхней границе земной атмосферы в единицу времени на единичную поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной. Обозначим ее через I₀^*.

Международная комиссия по радиации рекомендовала принять в качестве стандартного значения солнечной постоянной I₀^*= 1,98 кал/(см²·мин) или             I₀^*= 1,38 кВт/м².

Количество энергии, излучаемой Солнцем, распределяется между различными участками спектра следующим образом: ультрафиолетовая область – около 9 %, видимый участок спектра – 47 %, инфракрасная область – 44 %. Однако свыше 99 % этой энергии приходится на участок спектра, заключенный между 0,10 и 4 мкм. Солнечную радиацию по этой причине часто называют коротковолновой, в отличие от инфракрасной (длинноволновой) радиации Земли и атмосферы, свыше 99 % которой приходится на интервал длин волн от 3-4 до 80-120 мкм.

Распределение солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы или, что практически одно и то же, на верхней границе атмосферы и изменение ее во времени определяются чисто астрономическими факторами: вращением Земли вокруг Солнца, наклоном оси вращения Земли по отношению к плоскости орбиты Земли (эклиптике), суточным вращением Земли.

Поток солнечной радиации на горизонтальную поверхность I’₀ называют инсоляцией. Определим количество солнечной радиации Q, получаемой 1 см²  горизонтальной поверхности в течение суток при отсутствии атмосферы, то есть суточную инсоляцию. Очевидно, оно равно:

 

                                                                                                         (2)

 

где

±t₀ – моменты восхода и захода Солнца, определяемые из условия sin h_c = 0.

Среднее значение суточной инсоляции (мДж/м²) при I₀^*= 1,37 кВт/ м². Суточная инсоляция зависит от широты места и склонения солнца (от времени года). Инсоляция достигает максимума над северным полюсом. В день зимнего солнцестояния δ = -23,5 ° суточная инсоляция равна нулю на всех широтах, расположенных севернее полярного круга φ > 66,5 °. С приближением к экватору инсоляция монотонно растет /6/.

 

• Основные законы излучения

 

Изменение теплового состояния тела при наличии одного лишь лучистого теплообмена определяется разностью между излучаемой и поглощаемой энергией. Простейшими свойствами обладает так называемое равновесное тепловое излучение, при котором тело излучает столько же энергии, сколько и поглощает. Лучистую энергию в метеорологии обычно измеряют в тепловых единицах – калориях (1 кал = 4,1868 Дж).

Количество энергии, излучаемой телом через единичную поверхность в единицу времени во всех направлениях (в пределах полусферы), носит название поверхностной плотности потока излучения. В дальнейшем эту величину будем называть более кратко – потоком излучения или потоком радиации. Обозначив поток излучения через F, получим:

 

                                                                                                               (3)

 

Под потоком радиации будем понимать также количество энергии, которое проходит через единичную поверхность в единицу времени, хотя эта энергия поступила от других тел (не связанных  с рассматриваемой поверхностью). Для полной энергетической характеристики потока лучистой энергии необходимо указать распределение энергии по длинам волн. Для этого выделим в общем, потоке элементарный участок в интервале длин волн от λ до λ + dλ. Количество энергии dФ_λ в интервале от λ до λ + dλ, излучаемой с поверхности dS, пропорционально dS и dλ:

 

                                                                                                     (4)

 

Величина F_λ представляет собой спектральную плотность потока излучения вблизи данной длины волны λ; она носит название монохроматического потока радиации или излучательной способности тела и измеряется в кал/(см²·мин·мкм).

Полный поток излучения всех длин волн F, очевидно, выразится интегралом:

                                                                                                       (5)

На тело падает монохроматический поток радиации F_λ, часть которого поглощается телом F_λ ^‘, часть отражается (F^»_λ) и часть проходит сквозь него (F^»’_λ). Тогда,

 

                                                  F_λ ^‘+ F^»_λ+ F^»’_λ= F_λ                                                (6)

 

Разделив обе части этого равенства на F_λ, получим:

 

                                              (7)

 

Первый член в левой части этого соотношения называют поглощательной способностью тела или относительным коэффициентом поглощения (α_λ = F_λ ^‘/ F_λ), второй – отражательной способностью или альбедо (r_λ = F^»_λ/F_λ) и третий – относительным коэффициентом пропускания (dλ = F^»’_λ/F_λ). Следовательно,

 

                                                                                                   (8)

 

Эти величины безразмерны и изменяются от 0 до 1. Если для всех длин волн α_λ = 1, то r_λ = d_λ = 0; это значит, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными или просто черными.

Если r_λ = 1, то α_λ = d_λ = 0, то есть вся падающая лучистая энергия отражается. При этом если отражение правильное (то есть подчиняется законам геометрической оптики), тела называются зеркальными, если же отражение диффузное – абсолютно белыми.

Введенные коэффициенты α_λ, r_λ и d_λ характеризуют свойства поглощения, отражения и пропускания тела в целом. Наряду с ними необходимо ввести также характеристики, которые определяли бы свойства поглощения (ослабления) и пропускания в слое некоторой конечной толщины /7/.

Пусть в слой, содержащий поглощающее радиацию вещество массой m, входит монохроматический поток F_λ (0). Поток, вышедший из слоя, обозначим через F_λ (m). Тогда функция поглощения (ослабления) определяется как безразмерное отношение:

 

                                                                      (9)

 

функция пропускания – как отношение:

 

                                                           (10)

 

Из соотношений (8) и (9) вытекает, что для функций поглощения и пропускания всегда выполняется равенство:

 

                                                                                             (11)

 

Опыт показал, что между излучательной F_λ  и поглощательной α_λ способностями тела имеется вполне определенная связь. Отношение излучательной способности к поглощательной не зависит от природы тела; оно является для всех тел одной и той же функцией В (λ,Т) длины волны λ и температуры Т (закон Кирхгофа):

 

                                                                                                      (12)

 

Для черного тела α_λ = 1. Излучательная способность такого тела, согласно (11), равна В (λ,Т), то есть:

 

                                                                                               (13)

 

Таким образом, функция В (λ,Т) в законе Кирхгофа представляет собой излучательную способность абсолютно черного тела. Но в природе абсолютно черных тел не существует. Для всех реальных тел α_λ < 1. Согласно закону Кирхгофа, это означает, что все реальные тела излучают энергии меньше, чем абсолютно черное тело (при той же температуре).

Аналитический вид функции В (λ,Т) был установлен в 1900 г. известным физиком Планком. Исходя из представлений о квантовом характере процесса излучения, он для излучательной способности абсолютно черного тела нашел функцию следующего вида:

 

                                                                                   (14)

 

где

с₁ = 3,7418·10^-16 Вт·м²,

с₂ = 1,438786·10^-2 м·К – первая и вторая постоянные излучения;

Т – абсолютная температура тела.

Длина волны λ_m, на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре Т (закон смещения длины волны, или закон Вина):

 

                                                                                                             (15)

 

Здесь с^‘ = 0,28978·10^-2 м·К – постоянная.

Полный поток излучения абсолютно черного тела находится с помощью интеграла:

 

                                                                                                   (16)

 

Подставив В (λ,Т) по (13) и выполнив интегрирование, найдем:

 

                                                                                                            (17)

 

где

σ = 5,67032·10^-8 Вт/(м²·К⁴) = 8,1566·10^-11 кал/(см²·мин·К⁴) есть постоянная Стефана-Больцмана.

Согласно формуле (16), поток излучения В абсолютно черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела.

Второй закон Вина устанавливает, что максимальная излучательная способность абсолютно черного тела В (λ_m,T) возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

 

                                                                                                (18)

 

где

с» = 1,301·10^-5 Вт/(м³·К⁵).

Наряду с понятием абсолютно черного тела вводится понятие серого тела. Серым телом называют такое тело, поглощательная способность, α_λ которого для всех длин волн одинакова: α_λ = α = const. Таким образом, излучательная способность серого тела при всех длинах волн составляет одну и ту же часть от излучательной способности абсолютно черного тела, а поток излучения серого тела F=αB /8/.

 

• Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли

 

Солнечная радиация, поступившая на верхнюю границу атмосферы Земли, прежде чем дойти до земной поверхности, претерпевает ряд существенных изменений. Часть ее рассеивается молекулами воздуха и содержащимися в атмосфере твердыми и жидкими примесями; частично солнечная радиация поглощается.

К основным газам, поглощающим солнечную радиацию, относятся водяной пар (Н₂О), озон (О₃), углекислый газ (СО₂), а также кислород (О₂).

Озон (О₃). Как показывают наблюдения, солнечная радиация, достигающая земной поверхности, резко обрывается на длине волны около 0,3 мкм. О₃ имеет большое количество полос поглощения по всему спектру. Наиболее сильная полоса (полоса Хартлея) приходится на интервал 0,22-0,29 мкм, где коэффициенты поглощения имеют весьма большие значения (максимум при     λ = 0,2553 мкм, где объемный коэффициент поглощения k_λ^‘ = 126.5 см^-1). В другой полосе (0,31-0,36 мкм) поглощение О₃ значительно слабее: значения k_λ^‘ не превышают 0,79 см^-1. В видимом участке спектра имеется достаточно широкая полоса поглощения О₃ (0,44-0,75 мкм), в максимуме которой значение k_λ^‘= 0,0594 см^-1. Во всех трех полосах k_λ^‘  увеличивается с ростом температуры.

В инфракрасной области на спектрограммах выделяются сильные полосы поглощения О₃ с центрами при 4,75; 9,6 и 14,1 мкм, из которых полоса 9,6 мкм самая сильная.

Основные полосы поглощения молекулярного кислорода приходятся на далекую ультрафиолетовую область спектра (0,13-0,24 мкм).

Водяной пар (Н₂О) и углекислый газ (СО₂). Эти газы имеют очень сложный спектр, полосы, поглощения которого расположены как в видимой, так и в инфракрасной области. Основные полосы поглощения Н₂О приходятся на длины волн 0,72; 0,81; 0,94; 1,10; 1,38; 1,87; 2,70 и 3,20 мкм, а СО₂ – на длины волн 1,44; 1,60; 2,02; 2,70 и 4,31 мкм.

Поскольку масса Н₂О больше, чем других поглощающих газов (СО₂, О₃), на его долю приходится основная часть поглощенной радиации.

Солнечную радиацию поглощают также атмосферные примеси (пыль) и капли облаков и туманов. При сильном замутнении атмосферы (особенно в городах) поглощение солнечной радиации твердыми примесями может быть значительным. Такое резкое увеличение замутненности атмосферы чаще всего связано с лесными и торфяными пожарами /9/.

 

• Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

 

Атмосфера по отношению к потокам солнечной радиации представляет собой мутную среду. Понятие мутности связано с наличием в атмосфере различного рода примесей – атмосферных аэрозолей, представляющих собой взвешенные в воздухе твердые или жидкие частицы самых различных размеров.

Рассеяние на молекулах и комплексах молекул называют обычно молекулярным или релеевским (по имени ученого). Рассеяние на аэрозольных частицах называют аэрозольным.

Геометрическая структура среды характеризуется в основном двумя безразмерными параметрами: α/λ и l/λ (α – размер частицы, l – расстояние между частицами, λ – длина волны падающей радиации). Законы рассеяния оказываются существенно различными для частиц с α << λ и для частиц, размер которых соизмерим с длиной волны падающей радиации.

Если l/λ >>1, то частицы можно рассматривать как независимые излучатели.

Физические свойства среды и рассеивающих частиц характеризуются так называемым комплексным показателем преломления m = n-iχ (n- показатель преломления, χ- показатель поглощения).

Объемный коэффициент молекулярного рассеяния i_λ представляет собой относительное количество лучистой энергии, рассеянное единичным объемом воздуха. Согласно теории:

 

                                                (19)

 

где

N – число молекул в единице объема.

Энергетическая яркость рассеянной радиации наибольшая в направлениях, параллельных падающему лучу, и наименьшая в перпендикулярном направлении. Другая важная особенность молекулярного рассеяния состоит в том, что энергетическая яркость рассеянной радиации очень сильно зависит от длины волны (обратно пропорциональна λ⁴). Возрастанием рассеяния с уменьшением длины волны объясняется голубой цвет неба: в рассеянной радиации преобладает синий и голубой цвет.

При аэрозольном рассеянии резко изменяется распределение рассеянной радиации по направлениям – так называемая индикатриса рассеяния: крупные частицы рассеивают в основном в направлении падающего луча.

Полный коэффициент рассеяния σ_λ можно представить как сумму коэффициентов молекулярного (i_λ) и аэрозольного (j_λ) рассеяния:

 

                                                                                          (20)

 

Все названные коэффициенты зависят от высоты над поверхностью Земли и длины волны.

До высоты 3 км рассеяние солнечной радиации обусловлено в основном аэрозолями, и только выше 3 км молекулярная составляющая становится несколько больше аэрозольной. Нередко наблюдается также увеличение мутности в области тропопаузы и нижней стратосферы /10/.

 

1.4 Некоторые радиационные характеристики, измеряемые и получаемые

на актинометрических станциях

 

Отраженная радиация (R), измеряемая в светлое время суток на актинометрических станциях, характеризует часть суммарной радиации, отражаемой подстилающей поверхностью, над которой производятся измерения. Альбедо, или отражательной способностью какой-либо поверхности, называют отношение потока отраженной данной радиации к потоку падающей радиации, выраженное в долях единицы или в процентах. При известном альбедо (А) отраженная радиация рассчитывается по формуле:

                                                  (21)

 

само же альбедо определяется из соотношения:

 

                                                   (22)

 

Альбедо снега в среднем составляет 60 %, а при свежевыпавшем снеге может достигать 90 %. Альбедо водной поверхности сильно зависит от угла падения солнечных лучей. В целом альбедо водных поверхностей меньше, чем альбедо суши.

Кроме высоты Солнца альбедо зависит от состояния поверхности (ее цвета, степени увлажнения и так далее) и облачности. Наименьшие значения альбедо наблюдаются в околополуденные часы, а в течение года – летом.

В переходные сезоны года для северных зон (тундры, лесотундры, хвойных лесов) альбедо, полученное по данным наблюдений станций, примерно на            5-10 % выше среднего зонального альбедо. В летние месяцы среднее широтное альбедо, по данным станций, близко к среднему зональному.

Большой интерес представляют данные об альбедо облаков. Непосредственные измерения альбедо облаков произведены на самолетах и аэростатах. Альбедо облаков, согласно измерениям, существенно зависит от вертикальной мощности (толщины) облачности. Также альбедо зависит от формы облаков. Наибольшими значениями альбедо характеризуется высоко-кучевая и слоисто-кучевая облачность /11/.

Под радиационным балансом земной поверхности (В) понимается разность между потоком радиации, приходящим от Солнца и неба, и потоком радиации, уходящим от самой поверхности.

Поскольку полный радиационный баланс содержит помимо коротковолновой составляющей (В_к) и длинноволновую составляющую (В_д), его уравнение можно записать в следующем виде:

 

                                                                                                      (23)

 

то есть

 

                                                                             (24)

 

или

                                                                             (25)

 

где

Е_з – эффективное излучение земной поверхности.

Радиационный баланс является очень изменчивой радиационной характеристикой, так как представляет собой сумму чрезвычайно изменчивых во времени и пространстве потоков радиации.

Радиационный баланс земной поверхности оказывает существенное влияние на распределение температуры в почве и приземном слое атмосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, образование туманов, заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию). Он изменяется в зависимости от широты, времени года и суток, погодных условий и так далее. Расчет баланса производят за различные промежутки времени; он может быть как положительным, так и отрицательным. Переход радиационного баланса через нуль от отрицательных значений к положительным и обратно происходит, по данным наблюдений, при высоте Солнца 10-15 °С. В течение ночи баланс при отсутствии или постоянном количестве облачности сохраняется практически неизменным. При наличии снежного покрова промежуток времени, в течение которого радиационный баланс больше нуля, уменьшается, так как в этом случае переход баланса через нуль происходит при большей высоте Солнца (20-25 °С). Отметим, что с моментами перехода баланса через нуль практически совпадает время установления (вечером) и разрушения (утром) приземных инверсий температуры.

В Антарктиде вследствие высоких значений альбедо поглощенная радиация невелика, а радиационный баланс за год на всех станциях, кроме Оазиса                                  

(68 ° 18′ ю.ш.), отрицателен. Также анализ данных показал, что на одной и той же широте баланс океанов больше, чем суши. Объясняется это тем, что альбедо воды в среднем меньше, чем суши; некоторую роль играет также то, что температура поверхности воды в среднем ниже температуры поверхности суши.

Как и все его слагающие, радиационный баланс зависит от высоты Солнца, облачности, прозрачности атмосферы, вида и характера подстилающей поверхности, астрономических факторов и так далее.

Для однородных подстилающих поверхностей, альбедо которых одинаково, при отсутствии облачности радиационный баланс зависит в основном от высоты Солнца.

Помимо высоты Солнца и альбедо поверхности на величину баланса существенное влияние оказывает облачность. Это влияние особенно заметно ночью. При сплошной низкой облачности баланс вообще может быть равен нулю. В дневное время увеличение общей облачности от 3 до 8 баллов, при одних и тех же высотах Солнца, приводит к уменьшению радиационного баланса примерно на 20 %.

Радиационный баланс тесно связан с другими его компонентами и, прежде всего с суммарной и поглощенной радиацией.

Декадные и месячные значения полного радиационного баланса и суммарной радиации связаны обычно линейной зависимостью вида:

 

                                                                                                      (26)

где

а^‘ и b^‘ – коэффициенты, носящие локальный характер.

Баланс коротковолновой радиации (В_к) (поглощенной радиации) представляет собой разность между приходом и расходом суммарной радиации, то есть ту ее часть, которая поглощается подстилающей поверхностью. Рассчитывается  В_к  как разность между суммарной и отраженной радиацией или как произведение суммарной радиации на долю поглощенной радиации

(1-α), где α – альбедо поверхности, выраженное в долях единицы:

 

                                                                                    (27)

 

Баланс коротковолновой (суммарной) радиации, в отличие от общего радиационного баланса, должен быть всегда положительным, так как альбедо поверхности меньше 100 % и отраженная радиация должна быть меньше падающей.

Баланс длинноволновой радиации (В_д) представляет собой разность между приходящими к поверхности и уходящими от нее потоками радиации в области спектра более 4 мкм. Он определяется как разность между общим радиационным балансом и балансом коротковолновой радиации:

 

                                                                                                      (28)

 

Баланс длинноволновой радиации численно равен эффективному излучению земной поверхности (Е_эф), то есть разности между длинноволновой радиацией, излучаемой подстилающей поверхностью (Е_s), и длинноволновой радиацией, излучаемой атмосферой (Е_a). Эффективное излучение имеет знак, обратный знаку баланса длинноволновой радиации:

 

                                                                                                         (29)

 

В сумме за год эффективное излучение составляет примерно половину, а в северных широтах даже 60 % годовой суммы поглощенной радиации. В течение холодного периода года (на юге 2-4 месяца, а на севере полгода и более) эффективное излучение превышает поглощенную радиацию, формируя в это время отрицательный радиационный баланс подстилающей поверхности. Только южнее 45 ° с.ш. поглощенная радиация восполняет потери тепла за счет эффективного излучения в течение всего года /12/.

Мерой оценки нагревания или охлаждения той или иной поверхности или какого-либо объекта в целом под действием интегрального потока радиации или только его длинноволновой части (в ночные часы) является эффективное излучение поверхности (Е_эф), равное разности потоков длинноволнового излучения поверхности (Е_s) и встречного излучения атмосферы (Е_a):

 

                                                                                                  (30)

 

В связи с тем, что в области длин волн 8-12 мкм тепловая радиация поглощается водяным паром, содержащимся в атмосфере, при расчетах эффективного излучения необходимо учитывать еще и влажность воздуха.

Излучение атмосферы носит более сложный характер, чем излучение земной поверхности. Во-первых, по закону Кирхгофа энергию излучают лишь те газы, которые ее поглощают, то есть водяной пар, углекислый газ и озон.   Во-вторых, излучение (как и поглощение) каждого из газов носит сложный избирательный (селективный) характер.

Кроме трех основных, поглощающих инфракрасную радиацию газов, в атмосфере содержится ряд других газов, имеющие полосы поглощения в инфракрасной области. Это всевозможные окислы азота, ряд углеводородных соединений и другие.

Наиболее широкими и интенсивными полосами поглощения в инфракрасной области спектра обладает водяной пар. В интервале 8,5-12 мкм водяной пар практически прозрачен для инфракрасной радиации. По этой причине данный участок спектра называют окном прозрачности атмосферы или просто атмосферным окном.

Эффективное излучение может быть определено аналогично Е_s и по температуре воздуха:

 

                                                                                 (31)

 

где

Е^‘_эф – эффективное излучение поверхности, рассчитанное по температуре

воздуха,

Т – Т₀ – разность температур между подстилающей поверхностью и воздухом,

μ – находят по таблице.

Особенно большое влияние на встречное излучение атмосферы и эффективное излучение земной поверхности оказывает облачность. С увеличением количества и вертикальной мощности облаков возрастает встречное излучение атмосферы и уменьшается эффективное излучение. Эффективное излучение тем больше, чем выше нижняя граница облаков. Экспериментальные данные качественно подтверждают этот вывод.

Эффективное излучение и его составляющие имеют достаточно хорошо выраженный суточный и годовой ход. Наиболее выражен суточный ход излучения земной поверхности. Он близок к излучению абсолютно черного тела при температуре подстилающей поверхности, поэтому с увеличением температуры растет и излучение земной поверхности, а вместе с этим и поток эффективного излучения. Под длинноволновым (тепловым) излучением поверхности принято понимать излучение в области спектра, лежащей за пределами 4 мкм, с максимумом в области 8-12 мкм. Для абсолютно черных поверхностей величина теплового излучения рассчитывается по известной формуле Стефана-Больцмана, приведенной выше.

Длинноволновое излучение атмосферы эквивалентно излучению черной полусферы, температура которой постоянно повышается по мере удаления от зенита к горизонту.

Величину этого излучения определяют:

• по формуле радиационного баланса:

                                                                 (32)

 

2) непосредственно путем расчетов по формуле излучения черного тела, если известны распределение по высоте температуры и влажности в атмосфере или хотя бы их средние значения за расчетный период /13/.

На практике для характеристики свойств ослабления солнечной радиации в атмосфере вводят понятие коэффициента прозрачности атмосферы (p_λ). Он представляет собой ту относительную долю солнечной радиации, которая достигает земной поверхности при положении Солнца в зените:

 

                                                                                                          (33)

 

Так как I_λ,90 < I_λ0, то коэффициент прозрачности всегда меньше единицы. Коэффициент прозрачности, так же как и оптическая толщина атмосферы (τ_λ), характеризует физические свойства воздушной массы, располагающейся над пунктом наблюдения, с точки зрения влияния ее на поток солнечной радиации. Чем больше содержание поглощающих газов (главным образом водяного пара) и больше замутненность атмосферы примесями, тем больше для данной длины волны τ_λ и меньше коэффициент прозрачности p_λ. Подчеркнем, что коэффициент прозрачности для монохроматического потока (то есть потока лучей определенной длины волны) зависит только от физического состояния вертикального столба воздуха (его замутненности и содержания поглощающих газов) и не зависит от высоты Солнца (массы m).

Коэффициент прозрачности p_λ является функцией длины волны. Наибольших значений  p_λ достигает в так называемой идеальной атмосфере, под которой понимают сухую (лишенную водяного пара) и чистую (без примесей) атмосферу. Поскольку основным процессом ослабления солнечной радиации в такой атмосфере является рассеяние, то коэффициент прозрачности с увеличением длины волны возрастает, так как рассеяние коротких волн более значительно, чем длинных.

Часто для оценки прозрачности атмосферы пользуются не коэффициентом прозрачности p_λ, который в значительной мере зависит от высоты Солнца, но мало меняется при изменении прозрачности атмосферы в больших пределах, а другим параметром – фактором мутности (T).

Фактор мутности менее зависит от числа оптических масс, так как характеризуется отношением логарифма коэффициента прозрачности реальной атмосферы к логарифму коэффициента прозрачности атмосферы идеальной (p_и), то есть лишенной аэрозоля:

 

                                                                                                          (34)

 

Фактор мутности атмосферы всегда больше единицы (Т > 1). Кроме того, фактор мутности очень чувствителен к изменению прозрачности, так как логарифмы коэффициентов прозрачности меняются в более широких пределах, чем сами коэффициенты. Фактор мутности Т, так же как и p, зависит от физических свойств воздушной массы. Согласно новейшим данным Самойленко В.С., в низких широтах (над океанами) наименьшей прозрачностью обладает экваториальный воздух, тогда как морской тропический воздух значительно прозрачнее.

В большинстве случаев в летнее время максимальный фактор мутности наблюдается в околополуденные часы. Причем повышенной запыленностью нижних слоев атмосферы в эти часы он служит вследствие сильно развитой конвекции. Зимой в околополуденное время наблюдается минимум фактора мутности, прозрачность достигает максимума /14/.

Естественная освещенность является одной из важных радиационных характеристик, широко используемых как в исследовательских целях, так и в практической деятельности многих организаций.

Освещенность представляет собой плотность светового потока, отнесенную к единице поверхности; ее величина пропорциональна соответствующей плотности потока коротковолновой солнечной радиации (прямой, рассеянной или суммарной).

Для расчета освещенности необходимо измеренное или рассчитанное значение суммарной (Q), прямой (I) или рассеянной (D) солнечной радиации для вертикальной, горизонтальной или наклонной поверхности любой ориентации за данный срок, день или середину периода умножить на соответствующий световой эквивалент, взятый из таблицы.

В практической деятельности различных организаций наиболее часто используется суммарная освещенность, характеризующая интегральные условия освещения. Ее интенсивность, как и интенсивность самих значений Q, в зависимости от времени суток, года или состояния погоды (облачности, осадков, видимости и так далее) может варьировать в общих пределах /15/.

 

 

 

 

2 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАНЦИЙ

 

 

2.1 Станция Айдарлы

 

Урочище Айдарлы расположено в Чу-Илийском горно-сопочном пустынном районе Казахстана. В направлении с запада на юго-восток простирается степь Жусандала.

На востоке и севере расположены пески Сары-Тау-Кум, на северо-западе – полоса песков Тау-Кум. На юге и юго-западе урочища рельеф местности постепенно переходит в крупно-холмистый (северные отроги Чу-Илийских гор).

В 50 км к востоку протекает р. Курты (приток р. Или) с юга на северо-восток. Других водных объектов вблизи урочища нет.

По характеру почв урочище Айдарлы относится к зоне щебнистых пустынь мелкосопочника. Почвы бурые пустынно-степные.

Из растительности произрастают травы: полынь, ковыль, джусан и другие. Крупной древесной растительности нет. Травы используются в осенне-зимний и весенний периоды хозяйствами отгонного животноводства для выпаса скота. Посевы культурной растительности не производятся.

Метеорологическая площадка при организации станции в декабре 1947 года была установлена на ровном открытом месте.

Ближайшие постройки: на северо-западе в 50 м от метеоплощадки, расположен дом метеостанции высотой 5 м, на расстоянии 10 м к северо-востоку – двор штаба отгонного животноводства с дувалом и мазанками высотой до 3 м.

В 1948 году метеостанция была перенесена на 200 м к востоку от первоначального местоположения. 24 мая 1958 года метеоплощадка была перенесена на 120 м к западу-северо-западу на несколько возвышенное место по сравнению со старым.

На расстоянии 20-30 м к западу и северо-западу от площадки находится сад с высотой деревьев в 3-5 м и поливными огородами. На расстоянии 50-60 м расположены дома, магазин, в 100 м к югу – колодцы.

Поверхность метеоплощадки покрыта полупустынными травами высотой 10-15 см, выгорающими летом.

Уровень грунтовых вод не одинаков, на метеоплощадке он ниже 8 м, а в 100-200 м к югу от площадки, в месте расположения колодцев – 4-5 м. В период весеннего снеготаяния уровень грунтовых вод повышается и выходит из колодцев на поверхность.

 

2.2 Станция Алматы

 

Город Алматы, в 12-15 км на северо-северо-востоке которого находится станция, расположен у подножья передовой цепи Тяньшанского горного массива – хребта Заилийского Алатау. Главная линия его протянулась почти в широтном направлении на расстоянии 40-45 км. Отдельные вершины хребта достигают высоты 3500-4500 м над уровнем моря и покрыты ледниками. Северные склоны очень крутые, каменистые, сильно изрезаны ущельями, в средней своей части склоны покрыты древесной растительностью, в верхней части преимущественно из тяньшанской ели, ниже растут фруктовые деревья: урюк, вишня, яблони, а по предгорьям – сады и плодоягодники.

Окружающая местность ровная с небольшим уклоном с юга на север, умеренно расчлененная небольшими пологими возвышенностями и неглубокими логами, по которым протекают мелкие реки и горные ручьи. С запада на расстоянии 1-1,5 км протекает неглубокая р. Малая Алматинка за которой в 2-4 км находится железнодорожный поселок.

К востоку и северо-востоку находятся поля обсаженные древесной растительностью, а в 2 км протекает небольшая р. Катур-Булак.

Почвы – предгорные, светло-каштановые. Растительный покров представлен типчаково-полынной растительностью. Древесная растительность распространена на поливных землях преимущественно искусственными посадками тополя и фруктовых садов.

Метеорологическая площадка расположена на ровном месте, со всех сторон окружена отдельными постройками и деревьями, достигающих высоты 10-15 м.

Ближайшие строения находятся к югу и юго-востоку в 20 м, к северу и северо-востоку в 10 м простирается аллея из деревьев высотой 10 м.

Почвы – светло-каштановые суглинистые, гумусовый слой ясно выражен, буровато-светло-серого цвета мощностью 26-30 см, переходящий в лессовидный суглинок. Поверхность почвы покрыта злаковой растительностью, из древесных пород преобладают искусственные насаждения из тополя и плодовых деревьев яблони, вишни и других.

Грунтовые воды залегают на глубине 6 м.

 

2.3 Станция Балхаш

 

Город Балхаш расположен на северном берегу озера Балхаш (водная поверхность озера имеет площадь до 17000 км²). Окружающая местность переходит на севере в полупустынную зону Центрального Казахстана, под общим названием — Прибалхашье.

Северное Прибалхашье представляет собой плато со средней высотой 400-500 м над уровнем моря с ясно выраженным повышением к северу, среди которых встречаются отдельные возвышенности и короткие горные цепи. Характерностью ландшафта является мелкосопочник с отдельными холмами высотой до 100 м и более метров.

Леса в районе метеостанции отсутствуют, в поселке Рыбтреста имеются редкие насаждения из карагача, акации и других.

Растительный покров бедный, полупустынного характера, состоит в основном из полыни, верблюжьей колючки.

Преобладающими почвами являются солончаки и солонцы, редко встречаются светло-каштановые.

Метеорологическая площадка размещается на восточной окраине поселка Рыбтреста в 80-100 м от жилых одноэтажных домов, на вершине холма преобладающего на высоте над поселком. В южном направлении 100 м находится озеро Балхаш со сравнительно крутым каменистым берегом в юго-юго-восточном направлении и пологим песчаным в юго-юго-западном направлении.

С севера и востока площадку окружает всхолмленная местность с отдельными превышениями над площадкой в 3-5 м и расположенных от нее в 50 м и более.

Поверхность площадки ровная с небольшим уклоном к западо-юго-западу.

Растительный покров в районе метеоплощадки беден (произрастает верблюжья колючка, солянка и другие).

Древесных насаждений вблизи метеоплощадки нет.

Почвенный разрез на площадке до глубины 1 м представлен глиной и щебнем.

Грунтовые воды залегают на глубине от 3 до 10 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 МНОГОЛЕТНИЙ ПРИТОК СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ЮГЕ КАЗАХСТАНА

 

 

3.1 Прямая солнечная радиация

 

Под прямой солнечной радиацией, которую нередко называют просто солнечной радиацией, понимают радиацию, доходящую до места наблюдения в виде пучка параллельных лучей непосредственно от Солнца.

Потоки солнечной радиации на перпендикулярную лучам (I) и горизонтальную (I^‘ = I sin h_c) поверхности зависят от следующих факторов:

• солнечной постоянной;
• расстояния между Землей и Солнцем;
• физического состояния атмосферы над пунктом наблюдения (содержания поглощающих газов, твердых атмосферных примесей; наличия облаков и туманов);
• высоты Солнца.

В зависимости от этих факторов потоки I и I^‘ изменяются в широких пределах. В каждом пункте они имеют отчетливо выраженный суточный и годовой ход (максимумы I и I^‘ в течение суток наблюдаются в местный полдень). Хотя высота Солнца и оказывает большое влияние на потоки солнечной радиации, но не меньшее влияние оказывает и замутненность атмосферы.

С увеличением высоты над уровнем моря потоки солнечной радиации возрастают, что объясняется уменьшением оптической толщины τ (z). Вследствие этого и I_макс в горных районах больше, чем на равнинной местности.

Определяющее влияние на поток прямой солнечной радиации оказывает облачность. При малых высотах Солнца (до 15-20 °) даже в случае облаков верхнего яруса (Ci, Cs) поток I^‘ равен нулю. При высоко-кучевых облаках I^‘ становится отличным от нуля лишь при h_с > 30 °. Слоистые и слоисто-кучевые (равно как и слоисто-дождевые) облака полностью задерживают прямую солнечную радиацию при всех высотах Солнца /16/.

В годовом ходе прямой солнечной радиации максимум приходится на апрель и май, а минимум на декабрь. Зимой на полюсе солнечная радиация отсутствует. На экваторе прямая радиация достигает максимума в дни весенне-осеннего равноденствия, а минимум наблюдается в дни летнего и зимнего солнцестояния.

На рисунке 1 представлен суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в июле. Поток прямой солнечной радиации имеет относительно простой суточный ход с максимумом в полуденное время и минимумом в вечерние часы. Есть лишь небольшие различия в количестве притока радиации на станциях. На станции Айдарлы поток прямой радиации при ясном небе колеблется в пределах от 0,07 кВт/м²                     

Энергетическая освещенность прямой солнечной радиацией на горизонтальную (I`) и нормальную (I) к лучу поверхностях при ясном небе и при средних условиях облачности на станциях Айдарлы (а), Алматы (б) и Балхаш (в) в июле

 

а)                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Рис.1

 

 

до 0,93 кВт/м², при условиях облачности поток радиации приходит в меньшем количестве (0,04 — 0,66 кВт/м²). На станции Алматы приток радиации при ясном небе колеблется в пределах от 0,06 до 0,88 кВт/м², при наличии облачности – от 0,03 до 0,62 кВт/м². Наибольшие значения притока прямой радиации наблюдаются на станции Балхаш в местный полдень, причем как при ясном небе (0,92 кВт/м²), так и при средних условиях облачности (0,71 кВт/м²). Определенное влияние на такой суточный ход оказывает орография местности, высота станции, прозрачность атмосферы и облачность.

 

3.2 Рассеянная радиация

 

Рассеянная радиация представляет собой солнечную радиацию, претерпевшую рассеяние в атмосфере. Количество рассеянной радиации, поступающей на единичную горизонтальную поверхность в единицу времени, носит название потока рассеянной радиации (D). Поскольку первоисточником рассеянной радиации служит прямая солнечная радиация, поток D должен зависеть от факторов, которые определяют I, а именно:

1)  высоты Солнца h_c (чем больше h_c, тем больше D);

• прозрачности атмосферы (чем больше p, тем меньше D);
• облачности.

Под влиянием облачности поток рассеянной радиации по сравнению с безоблачным небом, как правило, довольно значительно увеличивается. Исключение составляют облака нижнего яруса при малых высотах Солнца        ( h_c < 10-15 °). Наибольших значений поток D достигает при облаках среднего яруса и верхнего ярусов, когда он в 2-3 раза больше, чем при безоблачных условиях /16/.

Связать поток рассеянной радиации с потоком прямой позволяют следующие рассуждения. Если к земной поверхности поступает поток I, то потеря прямой радиации в атмосфере равна разности I₀ – I. В идеальной атмосфере вся эта радиация переходит в рассеянную. При симметричной форме индикатрисы молекулярного рассеяния к земной поверхности направляется половина всего количества рассеянной радиации. Таким образом, поток рассеянной радиации на горизонтальную поверхность:

 

                                                                                           (35)

 

Рассеянная радиация, так же как и прямая, имеет хорошо выраженный суточный ход. При этом максимум достигается в момент наибольшей высоты Солнца, то есть в местный полдень. Значение максимума существенно зависит от состояния атмосферы.

Суточный ход потоков рассеянной радиации при ясном небе (D_я) и при средних условиях облачности (D_о) на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш (рис.2) имеет более сглаженный ход, с максимумом в полуденные часы и мини-

Энергетическая освещенность рассеянной радиацией при ясном небе (D_я) и при средних условиях облачности (D_о) на станциях Айдарлы (а), Алматы (б) и Балхаш (в) в июле

 

а)                                                                                                                                                                                                                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Рис.2

 

 

мумом в вечернее время. На станциях Айдарлы и Балхаш поток рассеянной радиации при ясном небе составляет 0,12 кВт/м² в местный полдень, при средних условиях облачности поток увеличивается до 0,21 кВт/м². На станции Алматы величина рассеянной радиации при ясном небе увеличивается до                            0,14 кВт/м², при облачном небе поток рассеянной радиации достигает            0,23 кВт/м². Это можно объяснить физическим состоянием атмосферы, наличием облачности, которая приводит к увеличению рассеянной радиации. Кроме этого большое влияние оказывает местоположение станции. На величину рассеянной радиации большое влияние оказывает подстилающая поверхность и снежный покров. При наличии снежного покрова увеличивается отражение прямой солнечной радиации, повторное рассеяние которой в атмосфере приводит к увеличению D. С увеличением высоты над уровнем моря поток рассеянной радиации уменьшается.

 

3.3 Суммарная радиация

 

Потоком суммарной радиации Q называется сумма потоков прямой (I^‘) и рассеянной (D) солнечной радиации, поступающих на горизонтальную поверхность. Путем решения приближенных уравнений переноса радиации К.Я. Кондратьев и другие получили следующую формулу для потока суммарной радиации при безоблачных условиях:

 

                                                                                        (36)

 

где

τ – оптическая толщина для интегрального потока,

ε – множитель, принимающий при разных высотах Солнца разные значения.

Суммарная радиация, в отличие от прямой и рассеянной, очень слабо зависит от оптической толщины τ: с увеличением τ суммарная радиация медленно уменьшается /16/.

На поток суммарной радиации облачность оказывает столь же существенное влияние, как и на потоки прямой и рассеянной радиации. Облака верхнего и среднего ярусов, например, в количестве 3-4 баллов, а кучевые облака даже в количестве до 6-7 баллов, при наличии солнечного сияния часто увеличивают поступление суммарной радиации на земную поверхность по сравнению с поступлением ее при ясном небе. В горах наблюдались случаи, когда поток суммарной радиации под влиянием отражения от соседних горных вершин и облаков превышал солнечную постоянную.

При наличии снежного покрова поток рассеянной и суммарной радиации больше, чем при его отсутствии.

Анализируя рисунок 3, можно сказать что, поток суммарной радиации при ясном небе (Q_я) имеет четко выраженный суточный ход. Максимум притока

Энергетическая освещенность суммарной радиацией при ясном небе (Q_я) на станциях Айдарлы (а), Алматы (б) и Балхаш (в) в июле

 

а)                                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Рис.3

 

 

радиации наблюдается в местный полдень, минимум приходится на вечерние часы. На станциях Айдарлы, Балхаш, Алматы максимальный приток суммарной радиации колеблется от 0,97 до 0,94 кВт/м². Наименьшие значения изменяются от 0,11 до 0,14 кВт/м². Определенное влияние на такой суточный ход оказывает рельеф местности, широта станции и прозрачность атмосферы. Важное значение имеет облачность и высота Солнца.

При наличии облачности поток суммарной радиации может, как увеличиваться, так и уменьшаться. Если облачность частичная и солнце не закрыто облаками, то поток суммарной радиации, как правило, больше, чем при безоблачном небе. В случае сплошной облачности всегда имеет место уменьшение прихода суммарной радиации по сравнению с приходом при безоблачном небе.

На приход суммарной радиации оказывает существенное влияние не только количество, но и форма облаков. Калитиным Н.Н. были проведены наблюдения /4/ над прямой, рассеянной и суммарной радиацией при сплошной облачности. Данные показали, что при сплошной облачности наблюдается уменьшение потока суммарной радиации по сравнению с условиями безоблачного неба. Наиболее значительным это уменьшение является при наличии облачности нижнего яруса, поскольку в этом случае облака совсем не пропускают прямой солнечной радиации, а поток рассеянной радиации оказывается сравнительно небольшим (при малых высотах солнца даже меньшим, чем при безоблачном небе). Минимальное уменьшение потока суммарной радиации наблюдается в случае полупрозрачной для прямой солнечной радиации облачности верхнего яруса. Однако даже и в этом случае относительное уменьшение потока суммарной радиации при малых высотах солнца по сравнению с соответствующей величиной при безоблачном небе весьма значительно.

Данные по прямой, рассеянной и суммарной радиации при различных условиях облачности необходимы для сельского хозяйства, строительства, транспорта и других отраслей хозяйственной деятельности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ОСОБЕННОСТИ МЕСЯЧНОГО ПОСТУПЛЕНИЯ ПРЯМОЙ

СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ЮГ КАЗАХСТАНА

 

 

Многие природные процессы и явления развиваются за счет лучистой энергии поступающей на Землю. Изучение солнечной радиации, этого главнейшего источника энергии для Земли, является важнейшей задачей. Однако пространственно-временное изменение притока солнечной радиации оказывается весьма сложным.

В качестве причин векового хода прямой радиации при безоблачном небе рассматривают:

1) связь этих изменений с колебаниями астрономической солнечной постоянной (светимости Солнца);

2) или с колебаниями так называемой метеорологической солнечной постоянной, то есть количества радиации, поступающей на верхнюю границу тропосферы, которое может изменяться при постоянной светимости Солнца  из-за нестабильности прозрачности стратосферы.

При колебаниях астрономической солнечной постоянной относительные изменения прямой солнечной радиации не зависят то высоты Солнца, тогда как изменения солнечной радиации, обусловленные нестабильностью прозрачности стратосферы, существенно различаются при различной высоте Солнца /17/. Принято считать астрономическую солнечную постоянную практически неизменной, а колебания метеорологической солнечной постоянной, за счет изменения радиационного режима в результате распространения стратосферного аэрозоля, могут достигать от 2 до 20 %. Резкое уменьшение солнечной радиации происходит, как правило, после сильных вулканических извержений взрывного характера. В таких случаях средняя для больших территорий величина прямой радиации в течение нескольких месяцев или лет может быть понижена на 10-20 %.

Солнечная радиация, прежде чем достигнет земной поверхности, проходит длинный путь в слое атмосферы. Здесь солнечная радиация подвергается ряду весьма существенных изменений. На пути к земле часть переносимой энергии поглощается в слое атмосферы и при этом преобразуется в другие виды энергии, главным образом, в тепловую. Значительная доля ее рассеивается в атмосфере как молекулами газов, так и взвешенными мельчайшими частицами; наконец, часть энергии отражается от облаков. При этом лучи различных длин волн, входящие в состав солнечной радиации, поглощаются и рассеиваются неодинаково. Все это приводит к тому, что при прохождении солнечной радиации через атмосферу будет происходить уменьшение ее энергии. В результате поступившая на поверхность земли в виде параллельных лучей от Солнца так называемая прямая солнечная радиация будет как количественно, так и качественно отлична от солнечной радиации за пределами атмосферы.

В работе были использованы срочные данные актинометрических наблюдений летнего периода за 1998-2000 гг. по станциям Айдарлы, Алматы и Балхаш.

На рисунке 4 представлен суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Айдарлы при ясном небе.

 

Суточный ход прямой солнечной радиации на нормальную (I)

и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции

Айдарлы за 1998-2000 гг. в июле при ясном небе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4

 

Поток прямой солнечной радиации при ясном небе имеет четко выраженный суточный ход с максимумом в утреннее и полуденное время и минимумом в вечерние часы. Есть лишь небольшие различия в количестве притока радиации. На станции Айдарлы за 1998 год наблюдается самый наибольший приток прямой радиации на нормальную к лучу поверхность при ясном небе, с максимумом в срок 9:30 (0,65 кВт/м²). В 1999 и 2000 гг. наблюдается тенденция, приводящая к уменьшению притока прямой радиации. В 1999 году поток прямой радиации колеблется в пределах от 0,21 до            0,53 кВт/м². В 2000 году поток радиации изменяется от 0,27 до 0,61 кВт/м². За рассматриваемые годы приток радиации не превышает среднее многолетнее значение (0,93 кВт/м²). Прямая радиация на горизонтальную к лучу поверхность повторяет суточный ход I, но ее величина немного меньше и колеблется в пределах от 0,04 до 0,56 кВт/м². Определенное влияние на такой суточный ход оказывает орография местности, высота станции, прозрачность атмосферы и облачность. Облачность уменьшает приток прямой радиации.

На рисунке 5 представлен суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Айдарлы при средних условиях облачности. Поток прямой радиации при средних условиях облачности имеет хорошо выраженный суточный ход с максимумом в утренние и полуденные часы и минимумом в вечернее время. На станции Айдарлы за 1998 год наблюдается самый наибольший приток прямой радиации на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности, с максимумом в срок 9:30 (0,47 кВт/м²). В 1999 и 2000 году приток радиации уменьшается. В 1999 году поток прямой радиации колеблется в пределах от 0,12 до 0,33 кВт/м². В 2000 году поток радиации изменяется           от 0,10 до 0,34 кВт/м². За рассматриваемые годы приток радиации не превышает среднее многолетнее (0,66 кВт/м²). Поток прямой радиации на горизонтальную к лучу поверхность повторяет суточный ход I, но ее величина меньше и изменяется в пределах от 0,03 до 0,39 кВт/м². Так как облачность частично рассеивает прямую радиацию, то в процентном соотношении доля ее сравнительно невелика в пределах от 23 до 35 %.

 

Суточный ход прямой солнечной радиации на нормальную (I) и

горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Айдарлы

за 1998-2000 гг. в июле при средних условиях облачности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

 

Суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Алматы при ясном небе (рис.6) практически повторяет суточный ход потоков прямой радиации на станции Айдарлы. Максимум притока радиации приходится на срок 9:30 и на местный полдень, минимум наблюдается в вечерние часы. Самый наибольший

приток прямой радиации на нормальную к лучу поверхность также наблюдается в 1998 году, в срок 9:30 и составляет 0,59 кВт/м². В 1999 и 2000 гг. количество притока радиации уменьшается. В 1999 году поток прямой радиации изменяется от 0,12 до 0,44 кВт/м². В 2000 году колеблется в пределах от 0,13 до 0,58 кВт/м². За рассматриваемый период приток радиации не превышает среднее многолетнее (0,88 кВт/м²). Поток прямой радиации на горизонтальную к лучу поверхность повторяет суточный ход I, но его величина немного меньше и колеблется в пределах от 0,02 до 0,58 кВт/м².

 

Суточный ход прямой солнечной радиации на нормальную (I)

и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции

Алматы за 1998-2000 гг. в июле при ясном небе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6

 

Суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Алматы при средних условиях облачности (рис.7) имеет хорошо выраженный ход. Максимум притока наблюдается в срок 9:30 и в момент наивысшего стояния солнца – в12:30, минимум приходится на время захода солнца. На станции Алматы за 1998 год наблюдается самый наибольший приток прямой радиации с максимумом в срок 9:30 (0,45 кВт/м<sup>2</sup>). В 1999 и 2000 гг. количество притока радиации немного меньше. В 1999 году поток прямой радиации изменяется от 0,10 до 0,34 кВт/м<sup>2</sup>. В 2000 году поток радиации колеблется в пределах от 0,06 до 0,36 кВт/м<sup>2</sup>. За рассматриваемые годы приток радиации не превышает среднее многолетнее значение (0,62 кВт/м<sup>2</sup>). Поток I` повторяет суточный ход I, но его величина меньше и колеблется от 0,02 до 0,38 кВт/м². Облачность частично рассеивает прямую радиацию в пределах от 15 до 34 %.

Суточный ход прямой солнечной радиации на нормальную (I) и

горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Алматы

за 1998-2000 гг. в июле при средних условиях облачности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7

 

Суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Балхаш при ясном небе (рис.8) имеет относительно простой суточный ход, с максимумом в полуденные часы и минимумом в вечернее время. Наблюдаются лишь небольшие различия в количестве притока радиации. Наибольший приток прямой солнечной радиации на станции Балхаш наблюдается в 1998 году в местный полдень    (0,70 кВт/м<sup>2</sup>). В 1999 и 2000 гг. наблюдается уменьшение притока радиации. В 1999 году поток радиации изменяется от 0,27 до 0,59 кВт/м<sup>2</sup>. В 2000 году поток радиации колеблется в пределах от 0,15 до 0,58 кВт/м<sup>2</sup>. За рассматриваемый период приток прямой радиации среднее многолетнее значение на превышает            (0,92 кВт/м<sup>2</sup>). Поток I` повторяет суточный ход I, но его величина немного меньше от 0,02 до 0,68 кВт/м².

Суточный ход потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Балхаш при средних условиях облачности (рис.9) имеет ярко выраженный ход. Максимум наблюдается в утренние и полуденные часы, минимум во время захода солнца. На станции Балхаш в 1998 году наблюдается наибольший приток прямой радиации с максимумом в местный полдень (0,50 кВт/м<sup>2</sup>). В 1999-2000 гг. приток радиации уменьшается. В 1999 году поток радиации изменяется от 0,13 до 0,37 кВт/м<sup>2</sup>, в 2000 году поток радиации колеблется в пределах от 0,04 до 0,33 кВт/м<sup>2</sup>. Поток I` практически повторяет суточный ход I изменяется от 0,02 до 0,38 кВт/м². Облачность рассеивает прямую радиацию от 20 до 34 %.           

Суточный ход прямой солнечной радиации на нормальную (I)

и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции

Балхаш за 1998-2000 гг. в июле при ясном небе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.8

 

Суточный ход прямой солнечной радиации на нормальную (I) и        горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станции Балхаш

за 1998-2000 гг. в июле при средних условиях облачности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9

Большое значение для сельского хозяйства, строительства и решения ряда технических задач имеют сведения о прямой солнечной радиации, получаемой

горизонтальной поверхностью за сутки, месяц, год.

Различают теоретические, возможные и фактические суммы прямой радиации.

Теоретической суммой называют количество радиации, поступающее от Солнца за тот или иной промежуток времени на единицу горизонтальной поверхности, находящейся на внешней границе атмосферы.

Возможной суммой называется количество прямой радиации, которое поступало бы в данном месте при средней для него прозрачности атмосферы и при полном отсутствии облаков за тот или иной промежуток времени на единичную горизонтальную площадку, находящуюся на земной поверхности.

Действительной суммой прямой радиации называется фактическое ее количество, поступившее за тот или иной промежуток времени на единичную горизонтальную площадку, находящуюся на земной поверхности. Действительные суммы прямой радиации находят путем обработки записей актинометрических наблюдений.

В основу метода расчета суточных сумм радиации положено допущение о линейном изменении интенсивностей притока солнечной радиации от срока к сроку. При таком предположении можно получить сумму радиации за промежуток времени между сроками, подсчитав площадь трапеции. Основания трапеции графически представляют средние интенсивности прямой радиации в соседние сроки, высота трапеции – интервал времени между сроками, выраженный в минутах.

При подсчете суточных сумм радиации за начальный и конечный сроки принимается время восхода и захода солнца, иными словами, в эти моменты времени интенсивность радиации считается равной нулю.

Сумма радиации за промежуток времени от восхода солнца до первого срока наблюдений (так же как и от последнего срока наблюдений, до захода солнца) выражается площадью треугольник. Основание треугольника графически выражает среднюю месячную интенсивность радиации в первый срок наблюдения (или в последний), высота треугольника – интервал времени между восходом солнца и первым сроком (или между последним сроком и заходом солнца). Расчет сумм производится по средним месячным интенсивностям притока прямой радиации, отнесенным к срокам среднего солнечного времени (время восхода и захода солнца для географической широты данного пункта берется среднее солнечное). При этом средние месячные интенсивности солнечной радиации относятся к середине месяца, то есть к 15-му числу, на которое и берется время восхода и захода солнца.

Конечная величина, полученная от сложения площади треугольников и трапеций, характеризует солнечную радиацию за сутки:

 

                                           (37)

где

I₁ – средняя интенсивность прямой радиации в 1-й срок,

I₂ – средняя интенсивность прямой радиации во 2-й срок,

I₅ – интенсивность радиации в последний срок,

τ₁ – промежуток времени между восходом солнца и первым сроком, выраженный в минута

τ₂ – промежуток времени между последним сроком наблюдения и заходом солнца, выраженный в минутах.

Значение месячного притока энергии получается умножением суточной радиации на число дней в данном месяце:

 

                                                                                             (38)

 

где

N – число календарных дней в месяце.

Возможные суммы прямой радиации вычисляют по формуле Буге:

 

                                                                                                             (39)

где

I₀ – солнечная постоянная,

p – коэффициент прозрачности,

m – пройденные лучами массы атмосферы, зависящие от высоты солнца.

Зависимость числа проходимых масс от высоты солнца h₀ легко найти, если пренебречь кривизной земной поверхности:

 

                                                                                                                 (40)

 

Такое соотношение справедливо при нормальном атмосферном давлении (1013,2 гПа) у земной поверхности. Если давление p отличается от нормального, то в значение m следует ввести поправку на давление в точке наблюдения /18/.

Формула (43) применима только при высотах солнца больше 15 °С. При меньших h₀ на массу атмосферы, проходимую солнечным лучом, влияет не только кривизна земной поверхности, но и неравномерное распределение плотности воздуха с высотой. В нижних, более плотных слоях атмосферы, поглощается больше солнечной энергии, чем в верхних, менее плотных. Но при малой высоте солнца большая часть пути солнечного луча лежит именно в нижних слоях атмосферы. С учетом указанных обстоятельств Бемпорад /10/ вычислил массу атмосферы m при различных высотах солнца.

Возможные суммы прямой радиации рассчитываются по формуле Буге (39): вычисляют I_m для середины каждого часа при среднем коэффициенте прозрачности для данного места; затем полученные значения умножают на     60 мин, а для первого и последнего часа – на число минут, определяемое временем восхода и захода солнца, после чего часовые суммы складывают и получают возможные суточные суммы прямой радиации.

В таблице 2 приведены теоретические (I_т), возможные (I_в) и действительные (I_д) месячные суммы прямой солнечной радиации /19/ для июля по многолетним данным.

 

Таблица 2  Месячные суммы прямой солнечной радиации (мДж/м² )

на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в июле

 

Станции	Iт	Iв	Iд
Айдарлы	2338	805	574
Алматы	2328	742	499
Балхаш	2367	784	588

 

Данные таблицы 2 показывают, что действительные суммы прямой солнечной радиации приходят в меньшем  количестве на всех станциях по сравнению с теоретическими и возможными. Для летнего периода отклонения от широтной закономерности поступления прямой солнечной радиации проявляются более существенно как для возможного, так и действительного притока радиации.

В работе по методу трапеции были рассчитаны фактические суточные суммы прямой солнечной радиации (мДж/м²) на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в июле 1998-2000 гг.

 

Таблица 3  Фактические суточные суммы прямой солнечной радиации

(мДж/м²) на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в июле

1998-2000 гг.

 

Станции	1998	1999	2000
Айдарлы	430	340	369
Алматы	396	273	349
Балхаш	492	420	349

 

Из таблицы 3 видно, что максимум фактической суточной суммы прямой солнечной радиации в 1998-1999 гг. наблюдается на станции Балхаш              (492 мДж/м²). В 2000 году максимум приходится на станцию Айдарлы           (369 мДж/м²). Фактический приток прямой солнечной радиации на рассматриваемых станциях не превышает норму.

В июле месяце изменение возможного притока солнечной радиации колеблется на территории Казахстана от 710 до 790 мДж/м². Расположение изолиний фактического притока прямой радиации характеризует плавное изменение рассматриваемой характеристики относительно возможного их количества в июле месяце.

 

4.1 Вычисление коэффициента прозрачности атмосферы

 

Прозрачность атмосферы для интегрального потока солнечной радиации наряду с высотой солнца и облачностью определяет приток лучистой энергии к земной поверхности и, таким образом, является одним из важнейших показателей радиационного режима. Так как прозрачность атмосферы тесно связана с ее физическим состоянием, то данные о прозрачности атмосферы могут быть использованы для анализа состояния атмосферы и протекающих в ней процессов, вызывающих изменение погоды. Для вычисления характеристик прозрачности атмосферы используются результаты измерений интенсивности прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность I в те сроки наблюдений, для которых высота солнца h больше или равна 6,8 °. При меньших высотах солнца вычисленные значения характеристик оказываются недостаточно точными.

Коэффициент прозрачности зависит от содержания в атмосфере водяного пара и аэрозолей: чем их больше, тем меньше коэффициент прозрачности при одинаковом числе проходимых масс. Для воображаемой “идеальной” атмосферы, лишенной водяного пара и аэрозолей, коэффициент прозрачности равен примерно 0,9. Так по данным наблюдений действительного поступления солнечной радиации на ледник Корженевского (абсолютная высота 3560 м) коэффициент прозрачности атмосферы в июле – августе изменялся от 0,76 до 0,85, а по данным на леднике Красовского (хребет Джунгарского Алатау) коэффициент прозрачности составлял 0,82 – 0,88 /20/. В реальных же условиях коэффициент прозрачности обычно колеблется в пределах от 0,60 до 0,85.

Коэффициент прозрачности при одинаковом состоянии атмосферы зависит от высоты солнца и, следовательно, от m. При увеличении m значение p растет. Это обусловлено избирательным характером ослабления солнечной радиации. При прохождении радиации через атмосферу не только уменьшается ее интенсивность, но и изменяется спектральный состав. Действительно, поскольку короткие волны поглощаются (ослабляются сильнее длинных), то в потоке начинают преобладать длинные волны, для которых атмосфера более прозрачна. Если мысленно разбить весь путь солнечного луча на отдельные “атмосферы”, то первые слои из них окажутся менее прозрачными, чем последующие, в которые уже входит радиация преимущественно с большими длинами волн. Отсюда получается, что средний коэффициент прозрачности, рассчитанный для всего пути солнечного луча, тем больше, чем больше m. Этот вывод подтверждается исследованиями Н.Н. Калитина /10/, который опытным путем нашел зависимость p от m.

При вычислении используются только такие измерения I, во время которых диск солнца и околосолнечная зона в радиусе 5 ° не закрывались облаками.

Для вычисления характеристик прозрачности целесообразно принять за основную высоту, к которой нужно приводить значения интенсивности, измеренные при всех других высотах, высоту солнца в 30 °. При этой высоте солнечный луч проходит в атмосфере вдвое больший путь, чем он прошел бы в вертикальном направлении (то есть при высоте солнца 90 °).

Коэффициент прозрачности атмосферы P вычисляется по формуле Буге:

 

                                                                                                      (41)

 

в которой I₀ означает солнечную постоянную.

Из этой формулы при m=2 (h=30 °) получается:

 

                                                                                                      (42)

 

Для величины I₀ в соответствии с новыми определениями внеземной интенсивности солнечной радиации и согласно международным рекомендациям принимается значение I₀=1.98 кал·см^-2·мин^-1/18,21/.

В таблице 4 рассчитаны значения коэффициента прозрачности атмосферы для июля 2000 года на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш.

 

Таблица 4  Значения коэффициента прозрачности атмосферы (Р) для июля 2000 года на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш

 

Станции	Сроки
	6:30	9:30	12:30	15:30	18:30
Айдарлы	0,79	0,54	0,45	0,69	0,80
Алматы	0,75	0,52	0,40	0,65	0,74
Балхаш	0,80	0,52	0,42	0,70	0,78

 

Из таблицы 4 видно, что максимум коэффициента прозрачности приходится на утренние и вечерние часы. В полуденные и послеполуденные часы коэффициент прозрачности уменьшается, так как увеличивается турбулентный обмен, способствующий переносу загрязняющих веществ в атмосферу. На станции Алматы наблюдаются наименьшие значения коэффициента прозрачности, которые объясняются физико-географическим положением станции, застройкой города и наличием загрязняющих атмосферу веществ различными предприятиями и выхлопными газами автомобилей.

 

 

 

 

5 СТАТИСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ВНУТРИСУТОЧНОГО

                   РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЯМОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

 

 

Данные о приходе солнечной радиации за различные интервалы времени свидетельствуют о значительной изменчивости энергоотдачи в течение года, сезона и суток. Эта изменчивость обусловлена астрономическими факторами, прозрачностью атмосферы и режимом облачности. Научный и практический интерес представляет исследование характеристик структуры этой изменчивости с целью выявления условий надежности энергоснабжения, в частности, для эффективного размещения гелиоэнергетических установок, оценки оптимальных параметров солнечных энергетических установок (СЭУ) и аккумулирующих энергию устройств. Характеристика изменчивости прихода солнечной радиации учитывается в гелиоэнергетических расчетах. Так, изменение интенсивности радиации в течение дня и в зависимости от суточного хода облачности влияет на производительность гелиоустановки (особенно при большой ее тепловой инерции) и на прерывистость (период бесперебойной работы) отдачи производимой энергии; внутримесячная изменчивость сумм радиации и произведенной энергии определяет эффективность использования установленной мощности гелиоустановок и необходимое длительное (месячное и сезонное) их регулирование за счет создания аккумулирующих устройств или резервных источников энергии; годовой ход солнечной радиации позволяет судить о режимах работы гелиоустановок в течение года и общей ее энергообеспеченности.

Для выбора вариантов компоновки анализа режимов работы и расчета энергетических характеристик солнечных станций (СЭС) важно определить, наиболее вероятные режимы работы оптической системы, проследить динамику прихода радиации на приемник в течение рабочего дня СЭС в различные сезоны. Большой и сложной задачей является создание математических моделей, адекватных работе основных систем СЭУ, учитывающих характеристики самого объекта и окружающей среды.

В настоящее время наиболее полно изучена статистическая структура поступления часовых, суточных, месячных и годовых сумм суммарной радиации, а также оценен вклад сумм суммарной радиации за центральные месяцы сезонов в годовую сумму.

При оценке гелиоресурсов важно учитывать процентное соотношение прямой и рассеянной радиации в общей сумме суммарной радиации. Прямая радиация, поступающая на приемную поверхность солнечной установки, в зависимости от типа приемного устройства может преобразовываться в тепловую или в электрическую (при использовании фотопреобразователей) энергию. Предпочтительными районами в отношении гелиоэнергетических ресурсов являются такие, где преобладает доля прямой солнечной радиации над рассеянной.

Модели расчета уровня возможной (то есть без учета облачности) прямой солнечной радиации опирается на формулы, предложенные Кастровым, которые учитывают для каждого дня (от начала года) склонение Солнца и высоту его стояния в зависимости от географических координат, внутрисуточный ход перемещения Солнца и прозрачность атмосферы. При ясном небе и высоте Солнца (h₀ ≥ 20 °) коэффициент, характеризующий прозрачность атмосферы, не зависит от массы атмосферы (в интервале m = 3 до и после полудня). Примерно в этих же пределах высот Солнца (h₀ > 15 °) работает и СЭС /22/. В модели используется коэффициент интегральной прозрачности атмосферы на 15-е число каждого месяца, а для учета облачности – среднюю месячную многолетнюю повторяемость ясного состояния неба полученную по данным близлежащих метеостанций. На этапе предпроектных и проектных разработок достаточно использовать такие климатические характеристики, как средние многолетние месячные значения коэффициента прозрачности, количества облачности, часовые значения энергетической освещенности прямой радиацией, перпендикулярной лучам поверхности.

Для предсказания уровня солнечной радиации в наземных условиях обычно не прибегают к расчету ослабления внеатмосферной радиации, поскольку для

этого требуется труднодоступная метеорологическая информация. При практическом использовании данных измерения солнечной радиации применяется несколько подходов, каждый из которых обладает  определенной степенью приближения.

Первый подход состоит в использовании полученных часовых или суточных результатов измерений солнечной радиации для оценки ожидаемой эффективности процесса. Этот путь является основным подходом при моделировании процессов.

Второй подход заключается в обработке данных измерений солнечной радиации с помощью статистических методов для представления их в более удобном виде и в использовании результирующих временных распределений для предсказания эффективности процесса притока энергии.

Данные по солнечной радиации можно представлять несколькими способами, причем они должны содержать следующую информацию:

1) являются ли они непосредственно измеренными величинами или суммарными значениями за какой-либо период времени (обычно за час или сутки);

2) время или период времени, в течение которого проводились измерения;

3) тип солнечной радиации (прямая, рассеянная или суммарная) и тип измерительной аппаратуры;

4) ориентация приемной поверхности (обычно горизонтальная, иногда с определенным наклоном или в направлении нормали);

5) для усредненных данных период времени, для которого проводилось обобщение (например, среднемесячное значение суточной суммы солнечной радиации).

Кроме материалов непосредственного измерения притока солнечной радиации, существуют обобщенные данные о числе часов солнечного сияния или о процентном отношении возможного числа часов солнечного сияния. При этом представляется возможным использовать эмпирические соотношения, позволяющие оценить приток солнечной радиации по числу часов солнечного сияния или проценту возможной продолжительности солнечного сияния при условиях средней облачности.

Уравнение Ангстрема, полученное статистическим методом регрессии /23/, связывает среднюю плотность потока солнечной радиации с плотностью потока радиации в ясный день и средней долей возможного числа часов солнечного сияния:

 

                                                                                         (43)

 

где

Н_ср – среднее значение плотности потока радиации на горизонтальную поверхность в рассматриваемый период времени;

Н^‘₀ – плотность потока радиации на горизонтальную поверхность в ясные дни в тот же период времени;

n – среднесуточное число часов солнечного сияния в тот же период времени;

N – максимальное суточное число часов солнечного сияния в тот же период времени;

a^‘, b^‘ – коэффициенты.

В климатическом справочнике /19/ содержится информация, полученная в процессе первичной обработки данных наблюдений на актинометрических станциях и обобщения радиационных характеристик – прямой, рассеянной, суммарной солнечной радиации и радиационного баланса (срочные измерения). Непрерывная регистрация выше названных характеристик (особенно прямой радиации поступающей на перпендикулярную поверхность), как правило, является ограниченной по количеству станций наблюдений и продолжительности периода измерений. Исходные ряды сумм радиации не исключены погрешности, связанной с наличием инструментальных ошибок.

Результаты объективной оценки точности исходных данных с учетом ошибок прибора и микрометеорологической неоднородности показывают, что погрешности определения суточных сумм прямой солнечной радиации наибольшая (40 %) в зимний период года и наименьшая (15 %) летом. Для многих потребителей представляют интерес сведения о средних значениях суточных сумм радиации и об изменчивости притока солнечной энергии в отдельные годы и дни. Возможные пределы отклонений оцениваются по экстремальным значениям данных наблюдений. Однако экстремумы не являются фиксированными значениями, а зависят от объема выборки. Абсолютный максимум и минимум характеризует наибольший и наименьший приход радиации за период наблюдений. Учитывая не столь большую длину существующих рядов суточных сумм радиации, целесообразно определить средние максимумы и минимумы, которые дают представление о среднем суточном приходе в ясные (солнечные) и наиболее пасмурные дни. В климатическом справочнике /19/ не приведены наблюденные экстремальные значения суточных сумм радиации, поэтому судить о возможном диапазоне изменения ориентировочно можно по средним значениям прямой радиации при ясном небе и средних условиях облачности.

На максимальный суточный приход радиации, кроме особенностей циркуляции, а следовательно, и влагосодержания воздушных масс, оказывает влияние и структура облачности: форма, плотность облаков и другие. В определенные периоды происходит преобладание тех или иных циркуляционных процессов. Так, по данным исследований /24/, рост меридиональных процессов типа Е, начавшийся в атмосфере северного полушария примерно в 1966 году, наблюдался до середины 80-х годов, а затем имело место постепенное падение числа дней рассматриваемого типа. Начиная с 1990 года, происходит смещение во времени циркуляционных процессов (уменьшается повторяемость меридиональных форм циркуляции и наблюдается рост индексов межширотного обмена), что определяет характер изменения климатических характеристик (поступления солнечной радиации на перпендикулярную поверхность, температуры воздуха и увлажнение территории) /25/.

Изменчивость суточных, месячных и годовых сумм радиации количественно оценивается средним квадратическим отклонением s_x, представляющим собой квадратный корень из дисперсии:

 

                                                                                              (44)

 

Эта статистическая характеристика необходима при анализе достоверности аномалий радиации, установлении однородности поля радиации, а также может использоваться как критерий для оценки предельных ошибок пространственной корреляции (в случае однородного поля). Эта величина в ряде случаев оказывается более удобной характеристикой варьирования, чем дисперсия, так как выражается в тех же единицах, что и средняя арифметическая величина.

Средние квадратические отклонения, месячных или средних месячных сумм радиации (s_x30) характеризуют межгодовую изменчивость, отклонения суточных сумм (s_x1) – межсуточную (в данном случае межсуточная изменчивость – это не разность сумм радиации ото дня ко дню). Отношение      s_x30/s_x1 для суммарной радиации составляет 0,25-0,35, следовательно, межсуточная изменчивость в 3-4 раза больше межгодовой. Средние квадратические отклонения сумм прямой солнечной радиации по часовым градациям характеризуют внутрисуточную изменчивость и внутри года изменяются мало.

Средние квадратические отклонения сумм радиации разного масштаба осреднения являются показателем устойчивости радиационного режима. При этом целесообразно рассматривать относительное значение s_x (по отношению к среднему многолетнему) – так называемый коэффициент вариации С_ν. Коэффициент вариации рекомендуется использовать при анализе пространственно-временной изменчивости сумм радиации с учетом существенных различий между летним и зимним режимом поступления солнечной энергии. Наименьшая изменчивость суточных и месячных сумм суммарной радиации наблюдается летом – 25-30 %.

При изучении временного распределения сумм радиации разного масштаба осреднения целесообразно вычислять не только средние многолетние значения и средние квадратические отклонения, но и статистические характеристики более высокого порядка – коэффициенты асимметрии и эксцесса. Как показали исследования /26/, распределение месячных сумм радиации близко к нормальному, а распределение суточных сумм в значительной степени отличается от нормального. Следовательно, вероятностные характеристики месячных сумм радиации можно рассчитать, зная средние суммы и их средние квадратические отклонения и используя табулированные значения параметров нормального распределения. Для того чтобы получить вероятностные характеристики суточных сумм радиации, требуется, прежде всего, установить закон их распределения. Для этой цели необходимо рассчитать коэффициент асимметрии A_s:

 

                                                                                      (45)

 

где

– знак суммирования произведений отклонений вариант x_i от их средних

на веса или частоты f_i этих отклонений в пределах от первого до k-го класса,

n – общее число наблюдений,

s_x³ –  куб среднего квадратического отклонения.

Коэффициент эксцесса рассчитывается по формуле:

 

                                                                                   (46)

 

где

– знак суммирования произведений отклонений вариант x_i от их средних на веса или частоты f_i этих отклонений в пределах от первого до k-го класса,

n – общее число наблюдений,

s_x⁴  – четвертая степень среднего квадратического отклонения /27/.

Ценность статистических характеристик (коэффициентов асимметрии, эксцесса) заключается в том, что они выражают основные особенности эмпирических распределений и позволяют рассчитать параметры аналитического выражения при аппроксимации распределений.

Графически асимметрия выражается в виде скошенной вариационной кривой, вершина которой может находиться левее или правее центра распределения.

Вычисление показателей асимметрии и эксцесса по формулам (45) и (46),  то есть способом произведений непосредственно по центральным моментам распределения, оказывается довольно трудоемким, особенно при наличии в выборке многозначных чисел. Поэтому центральные моменты обычно вычисляют косвенным путем — через условные моменты распределения, которые связаны определенным образом с центральными моментами.

Наличие (для каждого месяца) осредненных характеристик сумм прямой радиации (мДж/м²), поступающей на перпендикулярную поверхность за каждый час дневного времени при ясном и пасмурном (средней облачности) небе, средней суточной продолжительности солнечного сияния и распределении суммарного времени выше заданного уровня позволяет оценить соотношение между величиной притока солнечной радиации и соответствующим интервалом времени его фактического поступления на дневную поверхность.

Совпадение эмпирической кривой обеспеченности сумм прямой солнечной радиации по часовым градациям с аналогичной кривой нормального закона распределения, имеющего те же статистические характеристики, что и исходный ряд наблюдений, оценивалось с помощью критерия согласия Колмогорова-Смирнова.

Для распределений, отличных от нормального, среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонения оказываются величинами, статистически не показательными. В этом случае более подробное представление о поведении кривой распределения дают коэффициенты асимметрии (A_s) и эксцесс (E_x). Для рассматриваемых распределений сумм прямой радиации A_s < 0, то есть среднее арифметическое лежит левее моды и поэтому удлиненной является левая ветвь кривой. По степени скошенности обычно различают следующие виды асимметрии: малую при |A_s| ≤ 0,25; умеренную 0,25 ≤ |A_s| ≤ 0,5 и большую при |A_s| > 0,5. В соответствии с этими критериями большинство распределений сумм прямой радиации имеют большую асимметрию. Учитывая, что стандартная ошибка асимметрии довольно большая, поэтому может возникать ложная асимметрия, которую крайне необходимо отличать от истинной. Характеристикой крутости рассматриваемых распределений служит коэффициент эксцесса, при этом сравниваются скошенности эмпирической кривой обеспеченности и нормальной. При строго нормальном распределении E_x = 0, однако само по себе равенство коэффициента эксцесса нулю еще не является доказательством нормальности исследуемого распределения. Это говорит лишь о том, что эмпирическая кривая распределения имеет такую же крутость, что и нормальная /28/.

Обязательным условием нормальности кривой распределения является обращение в нуль обоих коэффициентов – асимметрии и эксцесса. Поскольку это в реальной действительности выполняется крайне редко, то за условия нормальности можно принять факт не значимости коэффициентов асимметрии и эксцесса на 5 или 10 %-м уровне. Выбор же самого уровня значимости будет полностью зависеть от постановки задачи и необходимой степени точности ее решения.

 

5.1 Расчет статистических характеристик суточных сумм прямой солнечной радиации

 

Статистические методы в метеорологии применяются в основном для анализа метеорологических данных за прошедший период и получения выводов о режиме погоды в будущем. Кроме того, они используются для проверки ценности тех или иных физических экспериментов, оценки эффективности методики прогнозирования или квалификации прогнозистов.

Статистические методы прогноза различны в зависимости от периода, на который дается прогноз. Прогноз на период более пяти дней является по сути климатологическим, тогда как прогноз на срок менее пяти дней — синоптическим. Как климатологии, так и в синоптической метеорологии статистические методы играют важную роль: в климатологическом прогнозе метеорологические данные анализируются статистически в пространстве и во времени без учета непосредственно предшествующих погодных условий. При прогнозировании на более короткие периоды основное внимание уделяется взаимосвязи метеорологических параметров в данный период времени с такими же или другими параметрами в предшествующий период /29/.

При решении практических задач недостаточно знать лишь осредненные суммарные характеристики солнечной радиации, поскольку они не учитывают возможные варианты поступления солнечной энергии во времени. Несмотря на то, что эти данные служат удобной и простой характеристикой общего уровня поступления радиации, появляется потребность в определении повторяемости различных градаций сумм радиации, которые имеют большое значение при оценке эффективности использования солнечной радиации. Таким образом, средняя величина является необходимой, но не достаточной энергетической характеристикой солнечной радиации. Необходимо изучить особенности не только ее внутримесячной структуры и повторяемости суточных сумм радиации, но и научиться оценивать приход солнечной энергии с учетом внутрисуточного его хода и режима облачности /30/.

Для расчета статистических характеристик были использованы суточные суммы прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш за летний период 1998-2000 гг. (табл.5, А.1).

 

Таблица 5  Статистические характеристики суточных сумм прямой

солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`)

к лучу поверхности в июле 1998-2000 гг.

 

Годы	Поток	sx	As	Ex
Айдарлы
1998	I	12,21	-0,65	-0,97
	I`	8,66	-1,17	-0,41
1999	I	15,37	-1,11	-1,26
	I`	10,91	-1,23	-1,13
2000	I	13,65	-1,25	-0,80
	I`	10,32	-1,22	-0,93
Алматы
1998	I	12,21	-0,65	-0,97
	I`	8,66	-1,17	-0,41
1999	I	15,37	-1,11	-1,26
	I`	10,91	-1,23	-1,13
2000	I	13,65	-1,25	-0,80
	I`	10,32	-1,22	-0,93
Балхаш
1998	I	12,21	-0,65	-0,97
	I`	8,66	-1,17	-0,41
1999	I	15,37	-1,11	-1,26
	I`	10,91	-1,23	-1,13
2000	I	13,65	-1,25	-0,80
	I`	10,32	-1,22	-0,93

 

Из таблицы 5 видно, что среднее квадратическое отклонение на рассматриваемых станциях в 2-3 раза превышает норму (4,84-5,79 мДж/м²) /19/. На всех станциях наблюдаются отрицательные значения коэффициентов асимметрии и эксцесса.

5.2 Синоптические условия формирования приземного поля и поля Н₅₀₀ суточных сумм прямой солнечной радиации

 

Задачей выявления циркуляционных режимов является процедура, которую обычно обозначают как проблему кластеризации наблюдений. Исследование повторяемости типов циркуляции Байдала в Северном полушарии для четырех срединных месяцев сезонов (по ежедневным данным за период 1944–1993 гг.) позволило авторам работы /31/ сделать вывод о высокой устойчивости распределений форм циркуляции, практически не зависящих от сезона. Причем характер распределения очень близко соответствует нормальному распределению, так что нет никаких оснований, считать выделенные типы синоптических процессов кластерами. Скорее, они напоминают градации, связанные с распределением некоторой величины, в качестве которой можно было бы использовать интенсивность соответствующих барических образований в каждом выделенном секторе Северного полушария. При изучении полей Н₅₀₀ над Северным полушарием зимой, автор /31/ привел убедительные данные в пользу гипотезы, что все они образуют выборку из одной нормальной многомерной совокупности (практически это означает, что в масштабах полушария, ярко выраженные кластеры не обнаруживаются). Основные выводы работы подтверждают, что визуальные типы (формы) циркуляции, будучи полезным инструментом, для изучения атмосферных процессов, являются примерами удачного группирования наблюдаемых ситуаций или удачного разбиения области их существования в некотором фазовом пространстве. Тем не менее, это не снижает их полезности и возможности использования для целей синоптической климатологии и изучения климатической изменчивости.

В ходе выполнения работы были рассчитаны аномалии суточных сумм прямой солнечной радиации на различно ориентированные поверхности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в летний период 1998-2000 гг.        (табл.6, А.2).

 

Таблица 6  Аномалии суточных сумм прямой солнечной радиации на различно ориентированные поверхности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в июле 2000 года

 

Станции	I	I`
Айдарлы	-8,00	-5,71
Алматы	-5,34	-3,19
Балхаш	-10,94	-6,17

 

Из таблицы 6 видно, что на всех 3 станциях наблюдается отрицательная

аномалия суточных сумм прямой солнечной радиации. Наибольшая аномалия наблюдается на станции Балхаш. По величине аномалии суточных сумм прямой радиации мы можем судить об увеличении или уменьшении притока радиации.

Интерес представляют особенности синоптических процессов у Земли и на уровне Н₅₀₀ для суточных сумм прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность. Совместный анализ этих полей позволил выявить аномальный приток радиации в рассматриваемом регионе.

Приземное поле июля 2000 года (рис.10) характеризуется полосой высокого давления расположенного над Средиземным морем с замкнутым очагом над Центральным Казахстаном. Восточная половина Казахстана находится в области пониженного давления. Такое расположение барических образований приводит к отрицательным аномалиям суточных сумм прямой солнечной радиации у поверхности земли на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш.

В поле Н₅₀₀ (рис.11) территория Западной Европы, Сибири и Восточная половина Казахстана находится под влиянием высотной ложбины, ось которой проходит с Балтийского моря на Средиземное. Ось другой высотной ложбины проходит через Омск, Астану и далее на Ташкент. Западная часть Казахстана и Восточная часть Европейской территории России (ЕТР) заняты высотным гребнем, ось которого ориентирована с юга на север через Уральские горы. Юг и юго-восток Казахстана находятся под влиянием циклонической деятельности, что уменьшает приток прямой солнечной радиации к этим районам.

Установлено, что неоднородность полей радиационных характеристик зависит от облачности, в формировании которой участвуют различные синоптические процессы. Степень пространственной неоднородности суточных сумм прямой солнечной радиации характеризуется относительной величиной аномалии, которая на значительной территории принимает отрицательные значения 50–100 % (ниже нормы).

Антициклоническая деятельность способствует максимально возможному притоку прямой солнечной радиации к земной поверхности и в период ясной погоды суточная сумма радиации может составить относительно среднемноголетнего значения более 100 %.

При циклонической деятельности облачные системы препятствуют проникновению прямой солнечной радиации в июле – на 75–90 %.

Из всех обычных и широко используемых источников энергии только атомная энергетика не связана с солнцем. Таким образом, наши самые обычные энергетические ресурсы тесно связаны с солнцем.

В настоящее время мы обращаемся к солнцу с целью преобразования его лучистой энергии в тепло, горячую воду, электричество и механическую энергию. Использование прямой солнечной радиации может быть полезным и является альтернативным природным ресурсом, позволяющим заменить существующую технологию сжигания ископаемого топлива на экологически более чистое производство энергетики за счет уменьшения загрязнения окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОДЫ

 

 

В ходе выполнения дипломной работы были получены выводы:

1) При анализе многолетних данных получено следующее: максимум потоков прямой солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`) к лучу поверхности при различных условиях облачности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш наблюдается в местный полдень, минимум приходится на время захода солнца. Наибольший приток прямой радиации приходится на станцию Балхаш, причем как при ясном небе (0,92 кВт/м²), так и при условиях облачности (0,71 кВт/м²). Суточный ход потоков рассеянной радиации при различном состоянии неба имеет более сглаженный вид, с максимумом в полуденное время и минимумом в вечерние часы. Наибольший приток рассеянной радиации наблюдается на станции Алматы, при ясном небе составляет 0,14 кВт/м², при условиях облачности поток радиации увеличивается до 0,23 кВт/м². Суточный ход суммарной радиации имеет четко выраженный ход, с максимумом в полуденные часы и минимумом в вечернее время. Наибольших значений приток суммарной радиации достигает на станции Айдарлы (0,97 кВт/м²).

2) По фактическим данным построен суточный ход потоков прямой солнечной радиации на различно ориентированную поверхность на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш за летние месяцы 1998-2000 гг. Максимум притока прямой радиации наблюдается в утреннее и полуденное время, минимум приходится на вечерние часы. Наибольший приток прямой радиации при различных условиях облачности наблюдается на всех станциях в 1998 году, в 1999-2000 гг. поток прямой радиации уменьшается.

3) По методу трапеции рассчитаны фактические суточные суммы прямой солнечной радиации летом 1998-2000 гг. Максимум суточной суммы прямой радиации в 1998-1999 гг. наблюдается на станции Балхаш (492 мДж/м²). В 2000 году максимум наблюдается на станции Айдарлы (369 мДж/м²).

4)  Для станций Айдарлы, Алматы и Балхаш за летние месяцы 1998-2000 гг. рассчитан коэффициент прозрачности атмосферы. Максимум коэффициента прозрачности приходится на утренние и вечерние часы. В полуденное время коэффициент прозрачности уменьшается.

5) Анализ статистических характеристик (s_x, A_s, E_x) показал, что s_x на рассматриваемых станциях превышает норму в 2-3 раза (4,84-5,79 мДж/м²). На всех станциях наблюдается отрицательные значения коэффициентов асимметрии и эксцесса.

6) За рассматриваемый период на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш были получены отрицательные аномалии суточных сумм прямой солнечной радиации на различно ориентированные поверхности. Анализ карт среднемесячных приземных полей и полей Н₅₀₀ показал, что рассматриваемая территория находится под влиянием циклонической деятельности, которая приводит к аномальному распределению притока солнечной радиации.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

 

1.   Бринкворт Б.Д. Солнечная энергия для человека. – М.: Мир, 1976.                        – 160 с.

2. Перспективы развития солнечной энергетики в Казахстане. — Алматы:

Ассоциация вузов РК, Институт мирового рынка, КазНТУ им. К.Сатпаева, 2004. — С. 1–18.

3. Эйгенсон М.С. Солнце, погода и климат. – Л.: Гидрометеоиздат, 1963. – 274 с.
4. Кондратьев К.Я. Актинометрия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1965. – 690 с.
5. Белинский В.А. Ультрафиолетовая радиация Солнца и неба. – М.: Издательство МГУ, 1968. – 228 с.

6.    Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. – М.: Мир, 1977. – 420 с.

7. Фейгельсон Е.М. Лучистый теплообмен и облака. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 232 с.
8. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 2000. – 730 с.
9. Кондратьев К.Я., Биненко В.И., Мельникова И.Н. Поглощение солнечной радиации облачной и безоблачной атмосферой // Метеорология и гидрология: – 1996. – №2. – С. 14–23.
10. Гуральник И.И., Дубовицкий Г.П., Ларин В.В., Мамиконова С.В. Метеорология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 440 с.
11. Русин Н.П. Прикладная актинометрия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979.         – 232 с.
12. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 158 с.
13. Семенченко В.П. Метеорология. – М.: Наука, 1989. – 358 с.
14. Евневич Т.В., Савиковский И.А. Расчет прямой солнечной радиации и коэффициента прозрачности атмосферы // Метеорология и гидрология: – 1989. – №5. – С. 106–109.
15. Евневич Т.В. О расчете солнечной радиации и естественной освещенности в идеальной атмосфере // Метеорология и гидрология: – 1994. – №2. – С. 41–48.
16. Абакумова Г.М., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И., Шиловцева О.А. Изменение солнечной радиации в различных областях спектра и естественной освещенности земной поверхности при безоблачном небе

       // Метеорология и гидрология: – 1999. – №3. – С. 49–58.

17. Будыко М.И. Причины естественного изменения климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – С. 201–229.
18. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 224 с.
19. Научно-прикладной справочник по климату СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – Кн.1. – Вып.18, Ч.1-6. – 514 с.
20. Головкова Р.Г., Денисова Т.Я., Рахимжанова Г.А. Метеорологические условия абляции на леднике южной экспозиции в Заилийском Алатау

      // Труды ГГО, 1968. – Вып.7. – С. 5–31.

21. Полякова С.Е. Основные климатические показатели солнечной радиации на территории Казахстана // Проблемы гидрометеорологии и экологии: – 2001. – С. 177–179.
22. Рекомендации по определению климатических характеристик гелиоэнергетических ресурсов на территории СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 31 с.
23. Полякова С.Е. Статистические закономерности внутрисуточного притока прямой солнечной радиации на территории Казахстана // Материалы Международного Симпозиума 10-11 октября: – 2001. – С. 95 – 99.
24. Чичасов Г.Н. Технология долгосрочных прогнозов погоды. – С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1991. – 304 с.
25. Ахмеджанов А.Х., Таланов Е.А., Шестернева О.Г. Особенности распределения осадков при северо-западных вторжениях на территории Южного и Юго-Восточного Казахстана // Гидрометеорология и экология: – 1998. – № 1-2. – С. 59–67.
26. Стадник В.В. Статистические характеристики суточных сумм суммарной радиации // Труды ГГО, 1980. – Вып.412. – С. 41–51.
27. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. – М.: Наука, 1971. – 575 с.
28. Рудак М.С., Гарцман Л.Б. Особенности статистического режима солнечной радиации в средней Азии // Труды САНИГМИ, 1991. – Вып.141 (222). – С. 157–163.
29. Пановский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972. – С. 7–8.
30. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации. – Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 232 с.
31. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. О типизации форм циркуляции в умеренных широтах Северного полушария по положению осевой изогипсы высотной фронтальной зоны на поверхности 500 гПа // Метеорология и гидрология: – 1996. – №2. – С. 5–13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

 

Таблица А.1  Статистические характеристики суточных сумм прямой

солнечной радиации на нормальную (I) и горизонтальную (I`)

к лучу поверхности в июне и августе 1998-2000 гг.

 

Годы	Месяцы	Поток	sx	As	Ex
Айдарлы
1998	июнь	I	15,55	-1,12	-0,99
		I`	11,28	-1,19	-0,98
	август	I	12,46	-1,48	-0,20
		I`	8,37	-1,56	-0,01
1999	июнь	I	11,36	-0,72	-1,03
		I`	7,72	-0,84	-0,99
	август	I	10,55	-1,00	-0,09
		I`	6,87	-1,33	-0,29
2000	июнь	I	11,76	-0,18	-1,19
		I`	8,74	-0,44	-1,37
	август	I	14,28	-1,34	-0,82
		I`	9,71	-1,35	-0,87
Алматы
1998	июнь	I	14,29	-0,97	-1,43
		I`	9,73	-0,91	-1,44
	август	I	11,84	-1,02	-0,89
		I`	7,80	-1,03	-0,85
1999	июнь	I	13,77	-0,66	-1,32
		I`	9,35	-0,49	-1,52
	август	I	11,82	-0,72	-1,47
		I`	7,87	-0,65	-1,12
2000	июнь	I	13,50	-0,50	-1,27
		I`	9,28	-0,39	-1,35
	август	I	10,75	-0,96	-0,90
		I`	7,19	-0,96	-0,86

 

 

 

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ А

 

 

Продолжение таблицы А.1

 

Годы	Месяцы	Поток	sx	As	Ex
Балхаш
1998	июнь	I	15,27	-1,41	-0,54
		I`	10,12	-1,34	-0,60
	август	I	11,68	-1,42	-0,54
		I`	7,11	-1,38	-0,56
1999	июнь	I	11,82	-0,99	-0,75
		I`	7,36	-0,67	-0,81
	август	I	11,37	-1,33	-0,12
		I`	6,96	-1,34	-0,04
2000	июнь	I	16,96	-1,21	-1,11
		I`	10,92	-1,19	-1,04
	август	I	13,85	-1,42	-0,72
		I`	8,17	-1,45	-0,47

 

Таблица А.2  Аномалии суточных сумм прямой солнечной радиации на различно ориентированные поверхности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш за 1998-2000 гг. в июне и августе

 

Станции	Годы	Месяцы	I	I`
Айдарлы	1998	июнь	-6,34	-5,00
		август	-6,15	-4,35
Айдарлы	1999	июнь	-3,00	-2,13
		август	-0,11	-0,37
Айдарлы	2000	июнь	-3,9	-1,94
		август	-1,28	-0,69
Алматы	1998	июнь	-7,67	-4,55
		август	-4,70	-2,91
Алматы	1999	июнь	-4,41	-2,45
		август	-2,73	-1,30
Алматы	2000	июнь	-3,9	-1,94
		август	-1,28	-0,69

 

 

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ А

 

 

Продолжение таблицы А.2

 

Станции	Годы	Месяцы	I	I`
Балхаш	1998	июнь	-8,14	-4,24
		август	-6,05	-3,31
Балхаш	1999	июнь	-4,30	-0,84
		август	-1,94	-0,82
Балхаш	2000	июнь	-9,84	-4,79
		август	-7,68	-3,46