Дипломная работа: Особенности притока солнечной радиации на станциях Алматы и Астана

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ АЛЬ-ФАРАБИ

 

 

Географический факультет

 

Кафедра метеорологии

 

 

 

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ РАБОТА

 

Особенности притока солнечной радиации на станциях алматы и астана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

работа общим объемом 23 страниц машинописного текста, содержит 2 таблицы, список использованных источников состоит из 17 наименований.

Цель работы: вычислить по климатическим данным фактические и возможные суточные суммы прямой солнечной радиации, коэффициент прозрачности атмосферы, статистические характеристики суточных сумм прямой солнечной радиации на различно ориентированную поверхность по фактическим данным за период с 1998 года по 2000 год и выявить синоптические условия приводящие к наибольшему и наименьшему притоку прямой солнечной радиации на станциях Балхаш и Астана за период с 1998 года по 2000 год.

Ключевые слова: теоретическая сумма, возможная сумма, действительная сумма, коэффициент прозрачности, статистический метод, статистический анализ, асимметрия, эксцесс, среднее квадратическое отклонение, прямая солнечная радиация, рассеянная радиация, суммарная радиация, метод трапеции, синоптический метод, синоптический анализ, сборно-кинематическая карта, естественно-синоптический период.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

                                                                                                                                с.

 

Введение                                                                                                                 4

1. Анализ источников посвященных изучению солнечной радиации 5
2. Физико-географическое описание станции

    2.1 Станция Аральское море                                                                                 

    2.2 Станция Балхаш                                                                                               

3. Притока прмой солнечной радиации на юге Казахстана                                                                                  

     3.1 Суточный ход  прмой солнечной радиации на станции Аральское море и Балхаша                                                                                                                     

     3.2  Расчет сумм радиации                                                                                    

      3.3  Вычисления коэффициента прозрачности                                                 

      3.4 Основные статистические характеристии прмой солнечной радиации   

4. Синоптические условия определяющие минимальный и максемальный приток радтации

Выводы                                                                                                                         

Список использованных источников                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

В настоящее время происходит истощение запасов различных видов полезных ископаемых с одновременным возрастанием стоимости их добычи и увеличивается стоимость земли. Самым обильным источником недобавляющей энергии, которая не приводит к дополнительному нагреву среды обитания, является поток солнечного излучения. Без вреда для биосферы, по-видимому, можно изъять около 3% всего потока, падающего на Землю. Это составит энергию мощностью 1000 млн. кВт, если учитывать коэффициент преобразования солнечной энергии равным 30%.

Фактически только часть солнечной энергии поступает на поверхность земли. Из-за замутненности атмосферы, в том числе антропогенными источниками выбросов, значительная часть солнечной энергии рассеивается в атмосфере. Еще часть энергии, правда, небольшую, поглощает сама атмосфера. Значительная доля солнечной радиации поглощается водяным паром. Наконец, облачность, атмосферные осадки могут полностью исключить поступление от Солнца прямой солнечной радиации. В результате этого могут возникать ситуации, когда гелиоэнергетические установки не в состоянии принимать и преобразовывать солнечную энергию длительное время, иногда до нескольких недель. В других случаях производительность таких устройств окажется заметно ниже расчетной. Следовательно, предварительное изучение доступного потенциала солнечной энергии на территории Казахстана, его зависимость от времени года и суток, является просто необходимой кадастровой информацией. Это, кроме того, будет основой для расчета оптимальной емкости накопителей энергии, а также для расчетов средней мощности различных устройств за определенный период времени их работы.

Мировой опыт показывает, что при условии правильной оценки доступного потенциала солнечной энергии возможно осуществление энергосберегающей политики и эффективное решение задач энергообеспечения во многих отраслях производства /1/.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОСВЯЩЕННЫХ ИЗУЧЕНИЮ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

 

 

Солнечная радиация является энергетической базой почти всех природных ресурсов, развивающихся на земной поверхности, в атмосфере, гидросфере, поэтому представляет собой один из основных климатообразующих факторов.

Для усовершенствования климатологических характеристик местности в целях удовлетворения запросов гелиотехники Б.П. Вейнберг и Р.Э Соловейчик предложили учитывать суточный ход прямой и диффузной радиации, а также некоторых других метеорологических элементов /2/, при этом ее рассматривали не в среднем за многолетний период, а раздельно для характерных синоптических ситуаций. Все дни были ими подразделены на три градации: ясные, пасмурные, средние (полуясные). Авторы рассчитали повторяемость этих ситуаций для каждого месяца, затем для выбранных градаций вычислили осредненное  отклонение значений прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную и горизонтальную поверхность, от среднего многолетнего. Методика отрабатывалась на материале наблюдений в Ташкенте за 1928-1929 гг. Полученные результаты подтвердили целесообразность такого подхода при анализе особенностей суточного хода составляющих солнечной радиации.

Существенный шаг вперед в деле совершенствования методики составления солнечного кадастра сделал Б.В. Тарнижевский. На основании проведенного статистического анализа он показал, что месячные и годовые суммы радиации достаточно хорошо подчиняются нормальному закону распределения /3/.

Б.В Тарнижевский исследовал связь между показателями работы солнечных установок и метеорологическими факторами, определяющими эти показатели /4-5/. Он учитывал, что гелиоустановка может использовать радиацию, поступающую непрерывно в течение некоторого времени, длительность которого может обеспечить разогрев установки до рабочей температуры  и определенную отдачу. Это минимально приемлемое время для отдельных установок неодинаково из-за различной тепловой инерции. Так, как время разогрева до рабочих температур у солнечных водонагревателей составляет около 1,5 часа, у опреснителей парникового типа  примерно 1-2 часа, инерция паровых котлов с параболоцилиндрическими отражателями составляет 1час, у паровых котлов с параболоидными отражателями 15-20 мин, фотоэлектрические батареи являются безынерционными.

Для определения количества часов работы солнечных установок Б.В Тарнижевский по  данным ежегодной регистрации гелиографов установил периоды непрерывного солнечного сияния различной продолжительности, от двух часов до максимально возможной длительности за отдельные месяцы и год. Вся обработка проводилась по десятилетним наблюдениям на восьми южных пунктах, расположенных между 35- 47 градусами северной широты. Время – час после восхода и час до захода солнца – исключались из-за малой плотности потока радиации. Полученные результаты были представлены в виде кривых обеспеченности периодов непрерывного солнечного сияния различной продолжительности. Зная тепловую инерцию конкретной гелиоустановки, а значит и минимально приемлемую длительность непрерывного облучения для каждого из рассматриваемых пунктов, можно определить количество часов ее работы за месяц или год.

Были построены графики осредненного для каждого месяца суточного хода прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность. После исключения низких значений плотности потока радиации, наблюдающихся сразу после восхода и пред заходом солнца, рассчитывалось среднее значение плотности потока радиации за день (расчетная радиации). Количество энергии, используемой гелиоустановкой, получалось умножением расчетной радиации на количество часов работы установки

В статье /6/ З.И. Пивоваровой изучено временное распределение месячных сумм радиации. Были использованы длиннорядные станции: 35-45 лет наблюдений над прямой и суммарной радиацией и 18-20 лет — над радиационным балансом. Были вычислены статистические характеристики рядов, включая вторые и третьи центральные моменты.

Максимальная величина среднего квадратического отклонения  месячных сумм радиации (междугодовая изменчивость) наблюдается весной и летом и составляет 1-2 ккал/см ² для прямой и суммарной радиации и 0,5-1,0 ккал/см ² для радиационного баланса. Коэффициент вариации месячного радиационного баланса в районах с устойчивым снежным покровом, то есть там, где зимой он не меняет знака, может достигать 70-90 %.

Изучены кривые распределения суточных сумм суммарной радиации и радиационного баланса по наблюдениям выборочных станций в различных климатических районах за период 7 — 17 лет. Установлено, что кривые распределения суточных сумм большей частью имеют небольшую асимметричность: суммарная радиация в весеннее и летнее время и радиационный баланс – отрицательную, суммарная радиация зимой и осенью – положительную.

Рассмотренные автором в данной работе средние квадратические отклонения сумм радиации разного масштаба осреднения необходимы не только как статистические характеристики для расчета распределения, но имеют самостоятельный физический смысл, являясь показателем устойчивости радиационного режима. Выявлено, что межсуточная изменчивость радиации в 4-5 раз больше, чем междугодовая. Притом,  что междугодовая изменчивость температуры и радиации близки, то сделан вывод о значительно меньшей связности ежедневных сумм радиации, по сравнению с температурой.

Междугодовая и междусуточная изменчивость температуры относятся к короткопериодным колебаниям. Анализ многолетнего хода радиационных характеристик указывает на наличие долгопериодических колебаний. В последние десятилетия эти колебания сочетаются с направленным изменением радиации – уменьшением прямой и ростом рассеянной, особенно заметным вблизи крупных промышленных центров. Замечено, что отмеченному изменению радиации способствует не только увеличение запыленности атмосферы, но и рост облачности в районах  некоторых крупных городов. Наличие длительных колебаний радиации, которые не могут быть отраженны в коротком периоде, снижает точность определения статистических характеристик и, в частности, приводит к систематическому занижению среднего квадратического отклонения. Это следует иметь в виду при распространении выводов, полученных на материале существующих рядов, для климатического прогноза.

В работе /7/ И.И Борзенковой  сделана попытка количественно оценить возможные изменения температурного режима в различных широтных зонах при кратковременных изменениях прозрачности атмосферы, которые могут быть вызваны наличием в атмосфере пылевого слоя. Для расчета таких возможных изменений температуры была использована разработанная М.И. Будыко и М.А.Васищевой полуэмпирическая схема расчета средних широтных и глобальных температур по полугодиям (теплое и холодное).

В качестве примера для построений количественной модели изменения температурного режима в различных широтных зонах был выбран случай извержения вулкана Катмай.

Расчет возможных изменений среднеширотных температур воздуха после извержения Катмай производился по трем моделям:1) изменение прямой солнечной радиации на 10% отмечалось над всем северным полушарием при равномерном распространении пыли; 2) аналогичные изменения имели место только в широтном поясе 30-90⁰; 3) изменения прозрачности могли быть существенными только в высоких широтах 60-90⁰.

Полученные результаты показали, что разности температур воздуха между значениями их до извержения и после него изменяются от нескольких десятых градуса до целых градусов в зависимости от сезона года, широты места и площади, на которую распространяется пыль. В случае, когда колебания прозрачности отмечаются над всем полушарием, наибольшие разности в температурах воздуха отмечаются в высоких широтах.

Расчет планетарных и средних широтных температур в представленной работе производился при постоянном альбедо планеты, то есть не учитывалась связь между уменьшением радиации и изменением ледяного покрова (граница ледяного покрова в северном полушарии принималась постоянной при широте 72 ⁰).

В работе М.Д. Дворкиной /8/ приводятся результаты расчетов автокорреляционных функций месячных и суточных величин продолжительности солнечного сияния, а также взаимных корреляционных функций продолжительности солнечного сияния и суммарной солнечной радиации по данным станций, расположенных на Европейской территории России (ЕТР).

Для получения автокорреляционных функций месячных значений продолжительности солнечного сияния были использованы наблюдения 150 станций за июнь и июль 1952-1968 гг. Из данного объема выборки было сделано 4 выборки.

М.Д. Дворкиной приведены нормированные пространственные автокорреляционные функции  месячных и суточных величин продолжительности солнечного сияния и аналогичные функции суммарной солнечной радиации. Сравнение показало, что для месячных величин различия между рассматриваемыми функциями незначительные, а для суточных величин функции практически идентичны.

Взаимные корреляционные функции продолжительности солнечного сияния и суммарной радиации были вычислены для месячных значений по данным измерений 45 станций (июнь-июль 1952-1968 гг.), для суточных – по данным 16 станций (июнь-июль 1961-1968 гг.). По суммарной радиации использовались месячные величины, полученные при измерениях в стандартные актинометрические сроки, суточные величины – по данным самописцев.

В результате анализа полученных результатов был сделан вывод о том, что отдельно для каждого из рассмотренных периодов осреднения (месяц, сутки) взаимнокорреляционные функции суммарной радиации и продолжительности солнечного сияния близки к автокорреляционным функциям обоих элементов, которые в свою очередь близки между собой.

Е.Е Коченовой также рассмотрено распределение средних суточных сумм радиации на стены различной ориентации. Суточные значения солнечной радиации, поступающей на стены зданий, имеют значительную временную изменчивость. Изменчивость притока солнечной радиации на южную стену оказалась наибольшей и составила 59,80 кал/см ² . Наименьшая изменчивость характерна для юго-западной стены. Коэффициент вариации указывает на максимальную изменчивость солнечной радиации, поступающей на южную стену, примерно на 9 процентов превышающую изменчивость радиации, приходящей на юго-восточную стену. Наибольшие значения коэффициента вариации и среднего квадратического отклонения автор объясняет одновременным действием различных факторов, определяющих приток радиации и на стены здания /9/.

Коэффициент вариации для средней величины ряда на горизонтальную поверхность составил лишь 15 % значения коэффициента вариации на стены южной ориентации.

Средняя изменчивость солнечной радиации имеет эквивалент изменения температуры воздуха в помещении, поэтому автор предлагает использовать данные об изменчивости притока солнечной радиации в расчетном методе теплового режима здания.

К.Я Кондратьевым /10/была рассмотрена распределение ясных и пасмурных дней по Казахстану. Ясным считается день когда сумма отметок облачности за сроков не превышает 14 б, а пасмурным называется день, когда сумма отметок облачности за 8 сроков не менее 66 б. Число ясных и пасмурных дней можно рассматривать по общей и нижней облачности. В работе использовались данные по нижней облачности. Количество дней с нижней облачностью убивает с юга на север (например, число пасмурных дней для января – В Балхаше 1,1, Кызылорде 3,5, Кустаная 2,3, в целом за год Балхаш 1, Кызылорда 27, Кустанай 31). Число ясных дней, естественно возрастает широтой (например, для января – Балхаш 18, Кызылорда 15,1, Кустанай 18,9; для июля Балхаш 15, Кызылорда 24,1 Кустанай 5). Число пасмурных дней тесно связано продолжительностью солнечного сияния, которая является важной гелиоэнергетической характеристикой. Из этого следует вывод, что по территории Казахстана – наблюдается достаточно большое число ясных дней во все сезоны года и на этой основе можно предположить, что и в что и в центральной, и в южной части имеются достаточные гелиоресурсы для развития гелиоэнергетики.

В статье З.И Пивоваровой и В.В Стадника /11/ показано, что междугодовая изменчивость средних суточных сумм прямой радиации, поступающей на вертикальные поверхности южной ориентации, определяется изменчивостью радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Это сделало возможным применение нормального закона распределения и величины среднего квадратического отклонения сумм для горизонтальной поверхности, с учетом коэффициента пропорциональности, к суммам радиации на южные стены. В качестве примера по длиннорядным станциям определены величины радиации для стен южной ориентации, встречающиеся один раз в 10, 20 и 100 лет.

В /12/ представлены данные измерений потока прямой солнечный радиации на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность при различных массах атмосферы в холодное и теплое полугодие, выполненных С.И. Небольсиным с помощью актинометра Михельсона  на агрометеоролгической станции Собакино (Подмосковье).

Для практического использования солнечной энергии благоприятными факторами являются высокая интенсивность прямой радиации, большая продолжительность солнечного сияния и высокая температура воздуха.

Данные о природе солнечной радиации за различные интервалы времени свидетельствует 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 надёжности 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 её тепловой инерции) и на прерывистость (период без перебойной работы) отдачи производимой энергии, внутри месячная изменчивость сумм радиации и произведенной энергии определяет эффективность использования установленной мощности гелиоустановок и необходимое длительное 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 её энергообеспеченности.

В настоящее время наиболее полно изучена статистическая структура поступления часовых, суточных, месячных и годовых сумм суммарной радиации.

В климатическом справочнике 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 станции наблюдений и продолжительности периода измерений. Исходные ряды сумм радиации не исключены погрешности, связанной с наличием инструментальных ошибок. Ошибки исходных рядов суточных сумм суммарной радиации, полученных путем непрерывной регистрации по самописцам, составляют 10-15 %. Другие виды радиации в теплый период имеют такие же ошибки, зимой ошибки возрастают. Для месячных сумм суммарной рассеянной радиации они составляют 3-5 % в теплый период, 8-10 %  в холодный период, а для радиационного баланса и прямой радиации 15-20 % в течении года.

Результаты объективной оценки точности исходных данных с учетом ошибок прибора и микрометеорологической неоднородности показывают, что погрешности определения суточных сумм прямой солнечной радиации наибольшая в зимний период года и наименьшая летом. При осреднении за более продолжительный период времени(месяц, год ) погрешности определения суточных сумм прямой солнечной радиации уменьшается в 3 раза, т.е. составляет 12 % для января и 5 % для июля /11/.

.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 процесса.

Второй подход заключается в обработке данных измерений солнечной радиации с помощью статистических методов для представления их 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 течении которого проводились измерения; тип солнечной радиации и тип измерительной аппаратуры;

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

       4) для усреднённых данных период времени, для которого проводилось обобщение /13/.

М.С. Рудак, Л.Б. Гарцман проанализированы фактические данные, выявлены закономерности распределения статистических характеристик солнечной радиации внутри территории Средней Азии /14/.

Для работы, использовался созданный в САНИГМИ , банк актинометрических данных о суточных суммах прямой, суммарной солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния по 20 станциям Средней Азии за 20-летний период (1959-1978 гг.). Для станций, где суточные суммы не измерялись, они были рассчитаны по рядам срочных измерений прямой и суммарной радиации с помощью линейной интерполяции или методом трапеции.

Для каждого вида информации и каждой станции были рассчитаны эмпирические распределения повторяемости и обеспеченности, а также статистические характеристики: среднее значение, дисперсия, коэффициенты вариации, асиметрии, эксцесса. С помощью этих характеристик были установлены уравнения и рассчитаны параметры аппроксимирующих кривых распределения и обеспеченности.

В задачу статистике входит разработка объективных средств эффективного обобщения имеющейся информации, нахождения взаимосвязи между данными и получения соответствующих выводов.

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 используется для проверки ценности тех или иных физических экспериментов, оценки эффективности методики прогнозирования.

Статистические методы прогноза различны в зависимости от периода, на который даётся прогноз. Прогноз на период более пяти дней является по сути климатологическим, тогда как прогноз на срок не менее пяти дней- синоптическим. Как в климатологии, так и в синоптической метеорологии статистические методы играют важную роль: в климатологическом прогнозе метеорологические данные анализируется статистически в пространстве и во времени без учёта непосредственно предшествующих погодных условий. Статистические методы прогноза, в отличие от численных методов, применимы, несмотря на то, что в настоящее время уравнения гидротермодинамики не могут быть точно решены. Однако их ценность, как это будет показано дальше, уменьшается из-за возможной неустойчивости полученных статистических связей.

По адекватности описания различают гносеологическая (теоретическая) и эмпирическая (описательная, функциональная). Построение гносеологических моделей преследует познавательные цели (например, установление объективных законов природы, изучение действительной структуры и закономерностей развития объектов).

Эмпирические модели описывают поведения, структуру объекта-оригинала, но при этом не воспроизводят точно природную сущность объекта.

По способу отображения различаются символические и предметные модели. В символических моделях объект или явление описывается на том или ином языке. Так, географическое описание климатов земли является символической моделью на естественном языке.

Современные автоматизированные информационные системы позволяют создать и поддерживать символическую модель объекта. Примерами предметных моделей могут служить макеты самолетов и кораблей лабораторные жидкостные установки для моделирования общей циркуляции атмосферы.

По воспроизведению в модели закономерностей временного развития различают динамические и статические модели.

Понятие «статистические модели» означают вероятностные модели эмпирического класса, т.е. такие стохастические модели, в которых параметры определены по данным измерений, наблюдений. По введенной классификации статистические модели являются эмпирическими вероятностными моделями. В метеорологии часто подчеркивают применение физических закономерностей при построении статистической модели и называют модели физико-статистическими. Однако, трудно представить ситуацию, что бы статистическая модель создалась без обоснованных на индуктивно или дедуктивно выводимых закономерностях об объекте, поэтому, что бы не усложнять терминологию, достаточно просто говорить о статистических моделях /15/.

В современном естествознании очень широко и обычно плодотворно применяется понятие модели. В метеорологии привычно использование понятий прогностическая модель, численная модель, модель общей циркуляции атмосферы. Можно уверено утверждать, что формулирование модели исследуемого объекта, анализ особенностей модели её адекватности природному объекту являются необходимым условием научного исследования. Концепция моделей особенно важны, когда в научных исследованиях принимает участие всё большее число людей.

По адекватности описания различают гносеологическая (теоретическая) и эмпирическая (описательная, функциональная). Построение гносеологических моделей преследует познавательные цели (например, установление объективных законов природы, изучение действительной структуры и закономерностей развития объектов).

Эмпирические модели описывают поведения, структуру объекта-оригинала, но при этом не воспроизводят точно природную сущность объекта.

По способу отображения различаются символические и предметные модели. В символических моделях объект или явление описывается на том или ином языке. Так, географическое описание климатов земли является символической моделью на естественном языке.

Современные автоматизированные информационные системы позволяют создать и поддерживать символическую модель объекта. Примерами предметных моделей могут служить макеты самолетов и кораблей лабораторные жидкостные установки для моделирования общей циркуляции атмосферы.

По воспроизведению в модели закономерностей временного развития различают динамические и статические модели.

Понятие «статистические модели» означают вероятностные модели эмпирического класса, т.е. такие стохастические модели, в которых параметры определены по данным измерений, наблюдений. По введенной классификации статистические модели являются эмпирическими вероятностными моделями. В метеорологии часто подчеркивают применение физических закономерностей при построении статистической модели и называют модели физико-статистическими. Однако, трудно представить ситуацию, что бы статистическая модель создалась без обоснованных на индуктивно или дедуктивно выводимых закономерностях об объекте, поэтому, что бы не усложнять терминологию, достаточно просто говорить о статистических моделях /16/.

Синоптический процесс – макромасштабное атмосферное явления, которое определяет погоду на больших географических пространствах

Для того, чтобы иметь достаточно полное представление о совокупности синоптических ситуаций, определяющих многообразие погодных условий в Казахстанском регионе, необходимо уметь надежно отличать их друг от друга. Следовательно, необходимо отработать приемы объективной классификации ситуаций таким образом, чтобы минимальным числом типов отобразить все их разнообразие. При этом принцип классификации может быть довольно прост: учет поведения барических объектов на пространстве регионального масштаба. Поэтому в качестве основы типизации принято барическое (циклоническое или антициклональное) воздействие, под которым понимается местоположение и поведение тех барических образований (циклон, антициклон, ложбина, гребень), которые формируют погодные условия в Казахстане в течение 48 часов. Расширение временного интервала до двух суток при оценке синоптической ситуации позволяет учесть тенденцию (историю) ее развития. Одновременное сочетание барических воздействий и представляет конкретную синоптическую ситуацию.

Первую группу типовых синоптических ситуаций составили подвижные циклонические образование. В этой группе смещение полей пониженного давления и связанных с ними франтальных разделов происходит из районов:

     1) Западной Сибири на Северо – Восточный Казахстан (Ц1);

     2) Северо – Восточной Европы на Северо – Западный и Северный Казахстан (Ц2);

     3) Восточной Европы на Севера – Западный и Центральный Казахстан (Ц3);

     4) Юга – Восточной Европы на территорию Западного Казахстана (Ц4);

     5) Средней Азии на Южный и Юга – Восточный Казахстан (Ц5).

В отдельный вариант развитее синоптической  ситуации данной группы вошло прохождение фронтальных разделов по северу Казахстана, связанных с ложбиной циклона, перемещающегося в северных широтах (Ц6).

Вторую группу типовых синоптических ситуаций составили малоподвижные  циклонические образования, в которых наблюдается прохожденье разделов в севера – западной, северной, севера – восточной и центральной частях Казахстана, связанных С:

      1) глубоким циклоном, располагающимся над Заполярным Уралом (Ц7);

      2) глубоким циклоном, располагающимся над центральными районами Урала и Западной Сибири (Ц8);

      3) глубоким циклоном медленно смещающимся в восточном направлении из южных районов Урала (Ц9).

Прохождение фронтальных разделов в южных и юга – восточных частях Казахстана, связанных с местным циклоном, стационирующим над Аральским морем (Ц10) – заключительная типовая ситуация данной группы.

В третью группу вошли подвижные антициклональные образования. В этой группе смещение полей повышенного давления происходит из районов:

1) Урала на Центральный Казахстан (АЦ 11);

2) Севера — Восточной Европы на Центральный Казахстан (АЦ 12);

3) Восточной Европы на Центральный Казахстан (АЦ 13);

4) Юга – Восточной Европы и Средней Азии на восток Казахстан         (АЦ 14);

Малоподвижные антициклональные образования составили четвертую группы. Здесь в качестве типовых ситуаций рассматриваются:

1) распространение отрога малоподвижного антициклона, расположен-ного над Сибирью, на Севера – Восточный и Центральный Казахстан (АЦ 15);

     2) наличие малоподвижной области высокого давления с центром над Казахстаном (АЦ 16);

   3) активное воздействие южной или юга – западной периферии стационирующего Сибирского антициклона на весь Казахстанский регион (АЦ 17).

Таким образом, по Казахстанскому региону выделено 17 основных и 30 дополнительных разновидности развития синоптических ситуаций. Однако в практике ежедневного синоптического анализа эти разновидности наблюдаются в чистом виде нечасто. В основном же будут наблюдаться синоптические ситуации, в которых различные разновидности одновременно проявляются в разных сочетаниях еще с различной интенсивностью. К примеру, воздействие малоподвижного барического объекта в Казахстанском регионе обычно проявляется в течении нескольких строк, но доминирующим в это время в Казахстане может быть поведение различных подвижных барических объектов.

Важным практическим компонентом типизации является определение пространственного распределения метеоэлементов и явлений погоды в различных типах ситуаций. Поэтому по Казахстанскому региону для выявленных типов синоптических ситуаций произведен расчет полей:

    1) повторяемости облачной и безоблачной погоды;

    2) повторяемость осадков, в том числе ливневых;

    3) относительной влажности с выделением районов сухого и сильно увлажненного воздуха;

    4) температуры воздуха и почвы с выделением экстремальных тепловых зон;

    5) вероятного направления приземного ветра с оценкой величины его скорости;

    6) повторяемость пыльной бури, метели, дымки, грозы, тумана, града, гололед /17/.

Циркуляция атмосферы является частью климатической системы, а ее изменение – одним из признаков изменения климата как в глобальном масштабе, в масштабе полушария, так и в отдельном регионе. Крупна масштабные изменения или колебания циркуляции могут исследованы с помощью форм циркуляции атмосферы в масштабе полушария или части полушария.

В региональном масштабе циркуляция атмосферы может быть исследована так же с помощью типов циркуляции уже меньшего масштаба. В работах посредством выделения циркуляционных этапов было показана связь изменений частоты появления форм циркуляции Вангенгейма и Байдала с повторяемостью типов синоптических процессов Средний Азии.

Однако вклад месяцев в годовые изменения частоты появления типов синоптических процессов или форм циркуляции не одинакова, отдельные месяцы или сезоны могут вносить больший вклад в годовые изменения, чем другие. В настоящей работе с помощью факторного анализа выделены месяцы, которые имеют более тесную связь с годовыми изменения частоты появления форм циркуляции Вангенгейма и вносит значительный вклад в годовые  изменения повторяемости типов синоптических процессов Средней Азии /18/.

В 1932 г Г.Я. Вангенгейм ввел понятие элементарного синоптического (э.с.) процесса, в течение которого на пространстве Атлантика – европейского сектора сохраняются основные тропосферные выносы тепла и холода и географическая локализация барических полей. Продолжительность э.с. процессов обычно составляет 2 — 4 дня, всего выделено 26 элементарных процессов. Каждый э.с. процесс имеет свое название и типовую карту – схему, на которой представлены циклонические и антициклонические поля и траектории барических  образований. Чаще всего в название э.с. процесса входит район антициклонического вторжения из полярной области в Европу.

По характеру преобладающих тропосферных переносов были выделены три формы атмосферной циркуляций: западная W, восточная E и меридиолальная С. При э.с. процессах западной формы циркуляции барические образование смещаются на Европу преимущественно с Атлантики. Процессы восточной формы часто связаны с перемещением антициклона с востока, с преобладанием над ETP антициклонических полей. Процессы западной циркуляции соответствуют зональному состоянию атмосферы, а процессы форм Е и С – меридиональному состоянию, но с различной локализацией высотных ложбин и гребней. Это было показано А.А. Гирсом, обобщившим представлением о формах над северным полушарием и для всей толщи тропосферы.

А.А. Гирс предложил диагноз форм циркуляции проводить в двух секторах: Атлантика – Евроазиатском и Тихоокеана – Американском. Наряду с формами C, W, E первого сектора устанавливаются формы циркуляции М₁, З, М₂ второго сектора. Основные особенности циркуляции, в том числе над соответствующими океаническими и континентальными регионами, у форм W и З, С и М₁, Е и М₂ совпадают.

Таким образом, в северном полушарии, а точнее, над внетропическими районами полушарие было выделено 9 основных типов макропроцессов: W₃, W_м1  W_м2, W_м2, Е₃, Е_м, Е_м2, С_3, С_м1, С_м2.

На схематическом положении высотных ложбин и гребной в средней тропосфере H₅₀₀ для указанных 9 основных типов атмосферной циркуляции преобладают процессы с волновыми числами 3 — 5. Возникновение таких процессов обусловлено влиянием основных  тропосферных источников и стоков тепла и крупных орографических воздействий. Именно при волновых числах r = 4 обеспечивается наиболее эффективная передача из тропиков тепловой и механической энергии. Наиболее значимые элементы структуры термобарических полей, типичные для основных разновидностей форм циркуляции на полушарии, прослеживаются во всей тропосфере и нижней стратосфере.

Для макропроцессов западной формы циркуляции (W₃; W_м1; W_м2), характерно наличие области холода в полярном бассейне и субтропических очагов тепла. Температурный градиент между тропиками и полюсом в тропосфере усилен, изогипсы карт абсолютной и относительной топографии имеют преимущественно зональное расположение. Характерно развитие и распространение с запада на восток термабарических волн малой  амплитуды и связанных с ними подвижных циклонов и антициклонов, атмосферных фронтов и изаллобарических очагов. Меридиональной воздухо и теплообмен ослаблен, он осуществляется главным образом за счет макротурбулентности  при ослаблении меридиональной циркуляции. В результате термические контрасты тропики – полюс еще более возрастают, что должно приводить к дальнейшему усилению западной циркуляции. Циклоническая деятельность активизируется и на арктическом, и на полярном фронтах.

Выделяют два существенно различных варианта меридионального состояния атмосферы: восточную форму циркуляции (Е) и меридиональную  форму циркуляции (С). При восточной форме циркуляции меридиональные процессы возникают над континентами, а над океанами во многом сохраняются черты зонального переноса. Наиболее мощный высотный гребень  формируется на ЕТР, в Западной Сибири и в Восточной Атлантике находятся сопряженные с ними высотные ложбины. Над ЕТР у земли преобладают антициклонические поля. Исландская депрессия хорошо развита и в Баренцевом море активизируется очаг циклонической деятельности. Зимой планетарные тропосферные очаги холода расположены в Восточной Сибири и над Канадой, основным является очаг в восточной Сибири. Сибирский антициклон хорошо развит и сдвинут относительно своего климатического положения к западу.

Г.Я. Вангенгеймом. А. А. Гирсом и их коллегами были построены средние карты давления, аномалий давления, аномалий температуры, карты вероятности знака аномалией температуры, карты барической топографии и других для месяцев холодного и теплого полугодий со значительным развитием процессов одной из форм циркуляции.

Классификация Каца и другие региональные классификации синоптических процессов позволяют осуществить достаточно полный анализ условий атмосферной циркуляции, обусловивших формирование тех или иных аномалий погоды. В целях объективного выявления аномальности метеорологических полей целесообразно использовать количественные оценки, например критерий К, предложенный К.А.Багровым.

Н.А. Багровым для количественной оценки аномальности метеорологических полей предложен критерий К:

 

,                                                    (1)

 

Он вычисляется по выбранной опорой сети станции N и дает отношение аномалии температуры данного месяца (∆T_i) к средней многолетней характеристике изменчивости соответствующего календарного месяца (σ_i). Критерий К вычислен за большой ряд лет и используется при выделении экстремальных и значительных аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков. /19/.

2 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАНЦИИ

 

 

2.1 Станция Аральское море

 

Станция Аральское море расположена в пустынной зоне, на северном берегу залива Сары — Чаганак, в 100 м от его берега на высоте 7 м от уровня и на расстоянии 2 м к югу-западу от города.

Рельеф окружающей местности изрезан многочисленными барханами, в отдельных случаях достигающей высоты 5-8 м, изредка поросших редким кустарником в типичной пустынной растительностью.

Почва в окрестности станции песчаная,  с небольшим количеством щебня, покрыта редкой пустынной растительностью, которая уже в июне месяце целиком выгорает.

Метеорологическая площадка в 1884 года была расположена в центральной части города Аральск.

С Ноября 1925 года метеорологическая станция располагалась на северо-восточной окраине города. Ближайший залив Аральского моря расположен к югу-востоку в 1000 м.

15декабря 1942 года станция находилась на берегу Аральской бухты, в 1000 м к востоку расположен залив Култук, в 280 м к западу бухта. Ближайшие строения расположена в 60-120 м к северо-западу, западу, юго-западу и югу. К 1952 года площадка со всех сторон была застроена домами, а с января по 26 мая 1952 года площадка с трех сторон была заложена штабелями из досок.

26 мая 1952 года метеорологическая площадка была перенесена на 62 м, на более открытое место.30 ноября 1953 года станция была перенесена на 6км к югу-западу, за город. На берег залива Сары-Чаганак и расположена в 100 м к северу от берега, на высоте 7 м от уровня воды, в 2 км к юго-западу от города Аральска. Со всех сторон горизонт площадки открытый.

Почва метеорологической площадке и на всех глубинах представляет собой плотно — слежавщийся песок с примесью наносного игла. С глубины 1,5 м в механической смеси большую часть занимает песок. Уровень грунтовых вод занимает на глубинах 8-10 м

 

 

2.2 Станция Балхаш

 

Город Балхаш расположен на северном берегу озера Балхаш. 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 и больше метров.

Леса в районе метеостанции отсутствуют, растительный покров бедный,  полупустынного характера, состоит в основном из полыни, верблюжий колючки.

Метеорологическая площадка размещена на восточной окраине поселка Рыбреста в 80-100 м от жилых одноэтажных домов, на вершине преобладающего по высоте над поселком. В южном направление в 100 м находится озеро Балхаш.

Древесные насаждений вблизи метеоплощадки нет.

Грунтовые воды залегают на глубине 3 до 10 м /20/.

 

3 ПРИТОК ПРЯМОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ЮГЕ КАЗАХСТАНА

 

 

      3.1 Суточный ход прямой солнечной радиации на станции Аральское море и Балхаш

 

Солнечная радиация- элемент, очень изменчивый во времени и пространстве, при расчете гелиоэнергетических ресурсов необходимо иметь данные не только  о средних и придельных практических потоков радиации и их распределение во времени, но также и данные о повторяемости этих характеристик в разных географических районах.

Потоки солнечной радиации на перпендикулярным лучам (S) и горизонтальную, (S¹= S sin h),  поверхности зависят от следующих факторов: а) солнечной постоянной; б) расстояния между землей и Солнцем; в) физического состояния атмосферы над пунктом наблюдения (содержания поглощающих газов, твердых атмосферных примесей; наличия облаков и туманов); г) высота солнца /12/

В зависимости от этих факторов потоки S и S¹ изменяются в широких пределах. В каждом пункте они имеют отчетливо выраженный суточный и годовой ход. Многочисленные наблюдения показывают, что в условиях безоблачного неба (или при наличие всего дня) прямая солнечная радиация имеет весьма простой суточный ход с максимумом в около полуденные часы.

В /12/ представлены данные измерений потока прямой солнечный радиации на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность при различных массах атмосферы в холодное и теплое полугодие, выполненных С.И. Небольсиным с помощью актинометра Михельсона  на агрометеоролгической станции Собакино (Подмосковье).

Из рассматриваемых данных, поток солнечной радиации возрастает до полдня, после чего начинает уменьшаться. Современно очевидно, что наличие максимума солнечной радиации в полдень обусловлено тем, что длина пути солнечного луча в атмосфере в это время минимальна, а следовательно, наименьшем является и озлобления солнечной радиации. Существенно отметить, что изменение потока солнечной радиации в течение дня не является симметричным относительно полудня. В теплую половину года величины потока солнечной радиации в утренние часы при m>2 несколько превосходят соответствующие послеполуденные значения. Зимой, наоборот, послеполуденные величины потока солнечной радиации три   m>3 превосходят дополуденные часы. Такая ассиметрия  дневного хода солнечной радиации обусловлено различием прозрачности атмосферы в до – и послеполуденное время. Летом атмосфера после полудня является более замученной, чем до полудня, и соответственно этому уменьшается послеполуденный приход радиации. Зимой наблюдается обратное изменение состояния прозрачности атмосферы и прихода солнечной радиации.

 В выпускной работе рассмотрены климатические и фактические данные притока прямой радиации по сроком для январе и июле по станциям Балхаш и Аральское море (рис 1 – 10).

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в январе при облачной и ясной погоде на станции Балхаш по климатическим данным

Рис. 1

 

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в январе при облачной и ясной погоде на станции Аральское море по климатическим данным

 

Рис. 2

 

По климатическим данным облачность уменьшает приток прямой радиации в январе на станции Балхаш и Аральское море (рис 1, 2). Максимум притока наблюдается в 12.30. На станции Балхаш максимум составляет 0,84 кВт/кв.м, а на станции Аральское море 0,83 кВт/кв.м при ясном небе. Такая же тенденции прослеживается и при средних условиях облачности (Балхаш – 0,51 кВт/кв.м, Аральское море– 0,43 кВт/кв.м). Известно, что с увеличением широты приток радиации уменьшается.

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в июле при облачной и ясной погоде на станции Балхаша по климатическим данным

Рис. 3

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в июле при облачной и ясной погоде на станции Аральское море по климатическим данным

 

 

Рис. 4

 

По климатическим данным (рис.3, 4) в июле на станции Балхаш и Аральское море максимум притока наблюдается в 12.30. На станции Балхаш максимум составляет 0,92 кВт/кв.м, а на станции Аральское море 0,89 кВт/кв.м при ясном небе. Такая же тенденции прослеживается и при средних

условиях облачности (Балхаш – 0,71 кВт/кв.м, Аральское море – 0,69 кВт/кв.м).

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в январе при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность станции Балхаша по климатическим данным

.

 

Рис 5

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в январе при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность станции Аральское море по климатическим данным

 

 

Рис 6

 

На станции Балхаш и Аральское море по климатическим данным (рис.5, 6) при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность в июле максимум притока наблюдается в 12.30. На станции Балхаш максимум составляет 0,33 кВт/кв.м, а на станции Аральское море 0,31 кВт/кв.м при ясном небе. Такая же тенденции прослеживается и при средних условиях облачности (Балхаш – 0,20 кВт/кв.м, Аральское море – 0,16 кВт/кв.м).На станции Балхаш амплитуда притока солнечной радиации при ясном небе составляет 0,25 кВт/кв.м, а при средних условиях облачности составляет 0,16 кВт/кв.м. А на станции Аральское море амплитуда притока солнечной радиации при ясном небе составляет 0,23 кВт/кв.м, а при средних условиях облачности 0,12 кВт/кв.м.

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в июле при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность станции Балхаш по климатическим данным

 

Рис 7

 

На станции Балхаш (7) суточный ход прямой солнечной радиации в июле при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность максимум притока наблюдается в 12.30 и составляет 0,83 кВт/кв.м при ясной погоде, ,а при средних условиях облачности составляет 0,64 кВт/кв.м. Минимум притока радиации наблюдается 18.30 и составляет 0,09 кВт/кв.м при ясной погоде, а при средних условиях облачности составляет 0,05 кВт/кв.м. На станции Балхаш амплитуда притока солнечной радиации при ясном небе составляет 0,74 кВт/кв.м, а при средних условиях облачности составляет 0,59 кВт/кв.м.

 

Суточный ход прямой солнечной радиации в июле при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность на станции Аральское море по климатическим данным

 

Рис 8

 

На станции Аральское море (8) суточный ход прямой солнечной радиации в июле при облачной и ясной погоде на горизонтальную поверхность максимум притока наблюдается в 12.30 и составляет 0,80 кВт/кв.м при ясной погоде, а при средних условиях облачности составляет 0,62 кВт/кв.м. Минимум притока радиации наблюдается 18.30 и составляет 0,08 кВт/кв.м при ясной погоде, а при средних условиях облачности составляет 0,05 кВт/кв.м. На станции Аральское море амплитуда притока солнечной радиации при ясном небе составляет 0,72 кВт/кв.м, а при средних условиях облачности составляет 0,57 кВт/кв.м.

Приток радиации в январе за период с 1998 по 2000 год на станции Балхаш (рис. 9) имел максимум в 12.30 (0,47 кВт/кв.м) и минимум в срок 15.30 (0,15 кВт/кв.м). На станции Аральское море максимум наблюдался в 12.30 (0,37 кВт/кв.м), а минимум в срок 15.30 (0,13 кВт/кв.м). На станциях Балхаш и Аральское море приток в январе был ниже нормы.

Приток радиации в июле за период с 1998-2000 года на станции Балхаш (рис.10) имел максимум в 9,30 (1999 году и 2000 году) и составил 0,61 кВт/кв.м и 12.30 (0,76 кВт/кв.м) в 1998 году и минимум в срок 18.30 (0,13 кВт/кв.м). На станции Аральское море максимум наблюдался в 9.30 (0,77 кВт/кв.м), а минимум в срок 18.30 (0,13 кВт/кв.м). На станции Балхаш и Аральское море приток в июле был ниже нормы.

Суточный ход притока прямой солнечной радиации в январе за период

а) 1998, б) 1999 и в) 2000 года на станциях Аральское море и Балхаша

 

а)

 

 

б)

б)

 

Рис. 9

Суточный ход притока прямой солнечной радиации в июле за период

а) 1998, б) 1999 и в) 2000 года на станциях Аральское море и Балхаш

 

 

б)

 

в)

 

Рис 10

3.2 Расчет сумм радиации

 

Существует понятие теоретические, возможные, действительные сумм радиации.

Под теоретической суммой понимают количество радиации, поступающие от солнце за тот или иной промежуток времени за 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, находящеюся на земной поверхности.

Действительной суммой прямой радиации называется фактическое ее количество, поступившее за тот или иной промежуток времени на единичную горизонтальную площадку, находящеюся на земной поверхности.

В основу метода расчета суточных сумм радиации положено допущение о линейном изменение интенсивности притока солнечной радиации от сроку к сроку. При током предположение можно получить сумму радиации за промежуток времени между сроками, подсчитав площадь трапеции /21/. Основание трапеции  графически представляет средние интенсивности прямой радиации в соседние сроки, высота трапеции интервал времени между сроками выраженных в минуту.

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

Сумм радиации за промежуток времени от восхода и захода солнца до первого срока наблюдений (также как от последнего срока наблюдений до захода солнца) выражается площадью треугольника /24/. 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 приток прямой радиации, отнесенным к сроком среднего солнечного времени (время захода и восхода солнца для географической широты данного пункта берется среднее солнечное). При этом средние месячные интенсивности солнечной радиации относятся к середине месяца т.е. к 15-му числу, на которое и берется время захода и восхода солнца.

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

r_{2 ,,}           (2)

 

где

     S₁— средняя интенсивность прямой радиации в 1-й срок;

     S₂— средняя интенсивность прямой радиации во 2-ой срок;

     S_n-интенсивность радиации в последний срок;

     τ₁-промежуток времени между восходом солнца в первый срок, выраженных в минутах;

      τ₂-промежуток времени между последним сроком наблюдения и заходом солнца, выраженных в минутах.

Значения месячного притока энергии получается умножением суточной радиации на число календарных дней в данном месяце

 

,                                           (3)

где

      N-число календарных дней в месяце

Возможные суммы прямой радиации вычисляют по формуле Буге /7/:

 

S_m=S₀ P^m ,                                                                       (4)

      где

      S₀— солнечная постоянная,

      P-коэффициент прозрачности,

      m-пройденные лучами массы атмосферы, зависящее от высоты солнца

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

 

m=1/sinh_{0 ,}                                                                                 (5)

 

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

Чем меньше высота солнца, тем больше частичек, поглощающих и рассеивающих солнечную радиацию, встречается на пути солнечного луча, т.е. менее прозрачной становится атмосфера и тем меньшая часть солнечной радиации дойдет до земной поверхности.

С помощью метода трапеции мной были рассчитаны фактические суммы прямой солнечной радиации в январе и июле за период с 1998 — 2000 годы на станциях Балхаш и Аральское море (табл 1).

 

Таблица 1 Фактические месячные суммы прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности (Σмес SФ) на станциях Балхаш и Аральское море в МДж/кв.м

 

Название станции	Январь			Июль
Годы	1998	1999	2000	1998	1999	2000
Балхаш	195,62	200,34	150,19	488,06	417,42	342,81
Аральское море	119,61	162,09	92,69	417,74	385,36	467,58

 

Данные таблицы 1 показывают, что, что приток солнечной радиации от зимы к лету увеличеваетя и максимум фактической месячной суммы прямой солнечной радиации приходится на станцию Балхаш. В январе максимальные значения наблюдались в 1999 году и составили 200,34 кВт/кв.м на станции Балхаш и 162,09 кВт/кв.м на станции Аральское море. А минимальные значения наблюдались в 2000 году и составило 92,69 кВт/кв.м на станции Аральское море и 150,19 кВт/кв.м на станции Балхаш. В июле максимум составляет 488,06 кВт/кв.м в 1998 году на станции Балхаш, а на станции Аральское море в 2000 году максимум составляет 467,58 кВт/кв.м. Минимум в 1999 году на станции Аральское море и составило 385,36 кВт/кв.м, а на станции Балхаш составило 417,42 кВт/кв.м. На станциях Аральское море и Балхаш фактические месячные суммы прямой солнечной радиации был ниже нормы.

 По формуле Буге (3) были рассчитаны возможные суммы прямой радиации для январе и июль за период с 1998-2000 годы для станций Балхаш и Аральское море (табл.3).

 

Таблица 3 Возможные месячные суммы прямой солнечной радиации (Σ_мес S_Ф) на станциях Балхаш и Аральское море в МДж/кв.м

 

Название станции	Январь			Июль
Года	1998	1999	2000	1998	1999	2000
Балхаш	203,44	212,12	159,72	662,11	567,97	478,57
Аральское море	132,39	173,66	109,78	567,04	518,84	636,85

 

Данные таблицы 3 показывают, что возможный приток солнечной радиации в январе и июле на станциях Балхаш уменьшается от 1998года к 2000 году. На станции Аральское море в январе приток радиации колеблется от 109,78 (2000 год) до 173,66 (1999 год) кВт/кв.м, а в июле от 518,84 (1999 год) до 536,85 (2000 год) кВт/кв.м .На станции Балхаш в январе месяце разница между фактическими и возможными суммами притока солнечной радиации за 1998 год составляет 7,82кВт/кв.м, 11,78 кВт/кв.м (1999 год) и 9,53 кВт/кв.м (2000 год), а на станции Аральское море 12,78 кВт/кв.м (1998 год), 11,57кВт/кв.м (1999 год) и 17,04 кВт/кв.м (2000 год). На станции Балхаш в июле месяце амплитуда притока солнечной радиации за 1998 год составляет 174,05 кВт/кв.м, 150,55 кВт/кв.м (1999 год) и 135,76 кВт/кв.м (2000 год), а на станции Аральское море 149,3 кВт/кв.м (1998 год), 133,48 кВт/кв.м (1999 год) и 169,27 кВт/кв.м (2000 год). Возможные суточные суммы превышают фактические в январе на станции Балхаш в среднем на 9,71 кВт/кв.м , на станции Аральское море 41,39 кВт/кв.м.

 

      3.3 Вычисление коэффициента прозрачности

 

На практике для характеристики свойств ослабления солнечной радиации в атмосфере вводят понятие коэффициента прозрачности атмосферы. коэффициента прозрачности представляет собой ту относительную долю солнечной радиации, которая достигает земной поверхности при положения Солнце в зените. Так как F_{λ, 90} < F_{λ 0}, то коэффициент прозрачности всегда меньше единицы (р_λ < 1).

Коэффициент прозрачности, так же как и оптическая толщина τ_λ, характеризует физические свойство воздушной масс, располагающейся над пунктом  наблюдения, с точки зрения влияния ее на поток солнечной радиации. Чем больше содержание поглощающих газов и больше замутненности атмосферы примесями, тем больше для данной длины волны τ_λ и меньше коэффициент прозрачности р_λ .Коэффициент прозрачности р_λ является функцией  длины волны. Поскольку основным процессом ослабления солнечной радиации является рассеяние, то коэффициент прозрачности с увеличением длины волны возрастает, так как рассеяние коротких волн более значительно, чем длинных. Наибольшей величины р_λ достигает в так называемой  идеальной атмосферы, под которой понимают сухую или чистую атмосферу.

Коэффициент прозрачности р_λ и в случае общего потока  показывает, какая относительная  доля солнечной радиации достигает земной поверхности при положения  Солнце в зените, т.е. р = F₉₀ ⁰ / F₀ . Но, в отличие от монохроматического луча, коэффициент прозрачности атмосферы для интегрального потока оказывается зависящим от массы атмосферы m. С увеличением m коэффициент прозрачности р растет. Это объясняется тем, что при прохождения через атмосферу солнечная радиация не только ослабляется, но и качественно изменяет свой спектральный состав. Коэффициент прозрачности атмосферы существенно зависит как от места наблюдения, так и от того, какая воздушная масс располагается над данным районом.

Коэффициент прозрачности можно вычислить по формуле Бугера, при m=2 (h = 30 ⁰)

 

                                                        (6)

 

По фактическим данным был рассчитан средний коэффициент прозрачности Р по рассматриваемым станциям (табл. 2)

 

Таблица 2 Средний коэффициент прозрачности Р на станциях Балхаш и Аральское море

 

Название станции	Январь			Июль
Года	1998	1999	2000	1998	1999	2000
Балхаш	0,73	0,74	0,64	0,77	0,71	0,65
Аральское море	0,66	0,71	0,63	0,71	0,68	0,76

 

Таблица 2 показывает, что средний коэффициент прозрачности на на станции Балхаш в январе и в июле уменьшается с 1998 по 2000 годы. А на станции Аральское море в январе и июле колеблется от 0,63 до 0,76.

 

3.4 Основные статистические характеристики прямой солнечной радиации

 

Статистическая обработка метеорологических данных осуществляется в три этапа.

Первый этап. Систематизация данных. Назовем этот этап организационным. Сеть метеорологических станций регулярно поставляет науке огромное количество информации. Эти данные могут носить количественный характер, когда они приводят к числовой форме, либо качественный, когда они выражены не в числовой форме. Для систематизации и обобщения такого колоссального количества данных, очевидно, требуется специальная методика. Эта методика основывается на статистических методах.

Этап второй. Нахождения взаимосвязи между данными. Назовём этот этап аналитическим. В этом этапе, он не выясняет, почему связаны эти два явления, но определяет, связаны ли они и в какой степени.

Этап третий. Оценка значимости результата. Назовём этот этап проверочным. Основной задачей многих статистических исследований является отделением действительных эффектов от случайных. Современная статистическая теория добилась больших успехов в разработке объективных методов проверки. Такие величины, как средняя и многие другие, рассматриваемые дальше, обычно вычисляются из некоторой, малой или большой, выборки данных. Эти величины называются статистическими характеристиками. Если характеристики выборки называют статистическими, то соответствующие характеристики совокупности- параметрами. Обычно известны только статистики, а параметры подлежат определению.

Статистики принято обозначать латинскими буквами, а параметры греческими.

Статистические методы вполне оправдали себя для прогнозов большого числа различных метеорологических элементов, как, например, минимальная температура и лётные условия для аэропортов. Часто для одного и того же пункта прогнозы, составленные с помощью статистических методов, оказываются лучшими, чем субъективные прогнозы, составленные по той же станции. Даже если статистический метод сам по себе не ведёт к более точному прогнозу, чем субъективный, синоптики считают, что статистические методы улучшают подготовляемые ими субъективные прогнозы. В этих случаях статистические методы являются большей мере объективными вспомогательными средствами прогноза, чем непосредственно объективными методами прогноза.

Преимущественно статистического метода заключается в том, что им может пользоваться вновь прибывший на станцию синоптик так же успешно, как любой другой, так как ему не нужно привыкать к местным особенностям данной станции. В то же время это указывает на недостаток статистического метода: поскольку статистические методы не получены для общих условий, они справедливы только доля станции, для которых они разработаны. Поэтому отдельные исследования должны выполнятся для каждой станции, где будет применятся статистическая методика прогноза. По этой причине статистические методики до сих пор разработаны лишь для крупных населённых центров и аэропортов.

По-видимому, статистические методы сохраняется и после усовершенствование численных методов, основанных на решении физических уравнений и использующих электронные вычислительные машины. Гидродинамические методы используется для предсказание общей синоптической обстановки и не детализирует элементы погоды на отдельных станциях. Эта область ещё много лет будет оставаться полем деятельности методов статистического прогноза.

Вопрос о том, сохраняет ли статистические методы свою ценность для прогноза макромасштабных полей ветра и температуры, пока ещё не ясен. Это зависит, во-первых, от того сумеют ли метеорологи — теоретики создать реальные динамические модели, позволяющие полностью и эффективно использовать данные метеорологических наблюдений, модели, не имеющие важных физических ограничений, и, во-вторых, от того сумеют ли метеорологи-статистики выбрать предикторы и взаимосвязи, которые дадут информацию относительно предиктанта независимо от динамических моделей. Многие метеорологи полагают, что в конечном итоге наилучшие прогнозы является результатом сочетания этих двух методов. Однако в идеале с помощью обоих методик должны быть получены одни и те же взаимосвязи /23/

В современном естествознании очень широко и обычно плодотворно применяется понятие модели. В метеорологии привычно использование понятий прогностическая модель, численная модель, модель общей циркуляции атмосферы. Можно уверено утверждать, что формулирование модели исследуемого объекта, анализ особенностей модели её адекватности природному объекту являются необходимым условием научного исследования. Концепция моделей особенно важны, когда в научных исследованиях принимает участие всё большее число людей

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

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

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

2) или с колебаниями так называемой метеорологической солнечной постоянной т.е. количества радиации, поступающей на верхнюю границу тропосферы, которые может изменятся при постоянной светимости солнца из — за нестабильности прозрачности стратосферы

При колебаниях астрономической солнечной постоянной относительные изменения прямой солнечной радиации не зависит от высоты солнца, тогда как изменения солнечной радиации, обусловленные нестабильностью прозрачности стратосферы существенно различаются при различной высоте солнца /22/.

Изменчивость суточных, месячных и годов сумм радиации количественно оценивается средним квадратическим отклонением σ. Среднее квадратическое отклонение определяется по формуле:

 

                                             (5)

 

Эта статистическая характеристика необходимая 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).

При изучение временного распределения сумм радиации разного масштаба осреднение целесообразно вычислять не только среднее квадратическое отклонения, но и статистические характеристики более высокого порядка- коэффициенты асимметрии Аs и эксцесса Ех. При нормальном распределении эти показатели равны нулю. В действительности такое равенство почти не наблюдается. Выборочные показатели Аs (в качестве показателя асимметрии Аs служит центральный  момент третьего порядка μ₃, отнесенный к кубу среднего квадратического отклонения σ), т.е и Ех (в качестве показателя эксцесса Ех служит центральный момент четвертого порядка μ₄), определяемые по формулам:

 

                                        (6)

 

 

                                          (7)

 

являются случайными величинами, которые сопровождаются ошибками.

Распределение облачности является примером распределения частот с очень малым эксцессом. Такое распределение может быть симметричным. Однако большинство наблюдений не располагается у центра, так как вероятность ясного или пасмурного неба большая, чем вероятность среднего количества облачности.

За рассматриваемый период были рассчитаны среднее квадратическое отклонения, эксцесс, и асимметрия для января и июля с 1998 по 2000год для станции Аральского моря и Балхаша (табл3)

 

Таблица 3 Основные статистические характеристики сумм прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности на станциях Аральского моря и Балхаша

 

Станции	Месяцы	Год	σ	As	Еx
Балхаш	Январь Июль	2000	9,24 14,85	-0,30 -1,37	-1,79 -0,63
Балхаш	Январь Июль	1999	9,60 13,38	-0,28 -1,19	-1,80 -0,64
Балхаш	Январь Июль	1998	7,16 8,84	-0,39 0,79	-0,94 -0,52
Аральское море	Январь Июль	2000	8,55 9,26	-0,72 -0,68	-1,76 -0,02
Аральское море	Январь Июль	1999	8,55 11,85	-0,12 -1,48	-1,80 0,17
Аральское море	Январь Июль	1998	8,15 10,43	-0,70 -1,25	-1,71 -0,24

 

Данные таблицы 3 показывают, что на станции Балхаша и Аральского моря за рассматриваемый период, наблюдались отрицательные значения асимметрии, за исключением июля 1998 г на станции Балхаша. Коэффициент асимметрии в январе колеблется от минус 0,12 до минус 0,72, в июле от минус 1,48 до 0,79.

В первом случае асимметрия левосторонняя, а во втором случае правосторонняя.

Коэффициент эксцесса зимой и летом на станциях Балхаш и Аральского моря отрицательный (за исключение от Аральского моря в июле 1999 г). Значение коэффициент эксцесса колеблется в январе от минус 1,71 до минус 1,8. Летом величина коэффициента эксцесса находится в интервале от минус 0,64 до 0,17.