Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка влияния облачности на приход ультрафиолетовой радиации

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Оценка влияния облачности на приход ультрафиолетовой радиации"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, - ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЩКИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА Географический факультет

На правах рукописи

Чубарова Наталья Евгеньевна

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОБЛАЧНОСТИ НА ПРИХОД ' УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ РАДИАЦИИ.

II.00.09- метеорология, климатология, агрометеорология.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук.

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре метеорологии и климатоЛог географического факультета Московского государственно: университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат географических наук, ста;

научный сотрудник Е.К.Незваль

Официальные ошоненты: доктор физ.-мат, наук, профессор

Е.М. Фейгельсон . ■

кандидат географических наук, ст, научный сотрудник А.К.Золотокрыл;

'Ведущая организация:» Центральная аэрологическая обсерва1

Защита диссертации состоится 21 мая 1932 г. в I51 на заседании специализированного гидрометеорологического в Московском государственном университете, т.;. М.В.Лоыон( Д-053.05.30 по адресу: II9899, Москва-, Ленинские горы, I географический факультет, аудитория 18-01, 18 этат^. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географич< факультета на 21 эта-хе.

Автореферат- разослан 20 апреля 1992 г.

Ученый секретарь специализированного С¿doe.

совета, кандидат географических наук Алексеева (

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Ультрафиолетовая радиация (УФР) составляет лишь несколько процентов от всего потока солнечного излучения, приходящего на земную поверхность, однако ее роль в формировании природной среды и влияние, оказываемое на кизнедеятелыюсть человека, весьма велики. Известно, что фотохимический и фотобиологический эффект воздействия на органическую среду в значительной степени зависит от длины волны излучения и его дозы и .особенно интенсивен в коротковолновой части УФР. Наиболее опасная область УФР (Л.<290нм) поглощается слоем озона 03, максимальное содержание которого приходится на высоты 20-30км. В последнее время отмечается резкое уменьшение его концентрации над Антарктидой и в некоторых областях высоких широт северного полушария, В связи с этим возникает угроза повышения доз коротковолновой УФ радиации и появления в ее спектре более коротких длин волн. Облачность в силу своих оптических свойств уожет существенно уменьшить этот эффект. Однако до настоящего времени исследованию влияния облаков нй зпектралышй состав УФ радиации уделялось мало внимания. Этим збусловлена актуальность ' работа, посвященной изучению атой троблемы.

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в изучении зоздействия облачности, обладающей различными оптическими свойствами, на спектральный состав УФ радиации, в оценке потерь зуммарной УФ радиации по данным многолетних измерений, разработке на этой основе метода восстановления оптических характеристик облаков и косвенного метода расчета суммарной УФ 5адиашш.

Для достижения поставленной цели решались следупото задачи:

-21. Разработка радиационной модели атмосферы в УФ области спектра. Получение расчетных, спектральных распределений рассеянной и суммарной УФ радиации при облаках, обладающих .различными оптическими свойствами.

2. Составление сводного' каталога расчетных и измеренных спектров, их интерпретация.

3. Оценка различных факторов, влияющих на величину пропускания суммарной УФ радиации облачностью (Сц^ и выявление ее связей с оптическими свойствами облаков.

4. Исследование влияния облачности разных типов на суммарную УФ радиацию (ЛйЗЗОнм) по данным многолетних измерений, проводимых в Метеорологической Обсерватории (МО) МГУ.

Б. Разработка метода оценки оптических толщин облаков. Определение оптических толщин облаков различных морфологических форм для разных сезонов года на основании многолетнего периода наблюдений. -

6. Разработка косвенного метода расчета УФ радиации по данным об облачности и ряду других факторов.

7. Анализ пространственно-временных закономерностей УФР на территории ETC.

Научная новизна Новыми положениями являются следуицие результаты работы:

- Впервые проведено обобщение накопленных, экспериментальных данных по спектральному распределении УФ радиации при различных

морфологических формах обликов.

- На основании реализации радиационной модели атмосферы рассчитаны спектры УФР для условий протушенной облачности, обладающей различными оптическими свойствами.

- Составлен сводный каталог расчетных Л измеренных спектров

рассеянной и суммарной УФ радиации при различных типах облаков.

- Разработан метод определения оптических толщин облаков по данным о пропускании суммарной УФ радиации и альбедо подстилающей поверхности.

Впервые получены оптические толщины облаков разных морфологических форм для теплого и холодного периода года.

На основании многолетних наблюдений получено пропускание суммарной УФ радиации для различных типов облаков в разные „сезоны года. .

- Разработан косвенный метод расчета месячных сумм УФР, обладающий высокой точностью.

- С помощью предложенного метода рассмотрены географические закономерности изменения суммарной УФ радиации по широтному и меридиональному профилю для территория ЕТС-

Практическая ценность работы: Измеренные и'

рассчитанные спектры суммарной и рассеянной солнечной радиации в УФ и видимом диапазоне спектра могут бить использованы при уточнении различных ГОСТов, СНиПов. Эти данные, в частности, необходимы при разработке искусственных источников света - У® лемп со спектром излучения, близким к естественному. Они могут также применяться при разработке рекомендация по профилактике УФ недостаточности.

Оценки пропускания суммарной УФ радиации различными видами облаков по данным многолетних измерений в теплый и холодный периоды могут быть применены для уточнения медицинских методик дозирования УФР в естественных условиях.

Предлагаешь метод оценки оптических толютн облаков по данным наземных измерений УФ радиации ¡«нет Сыть использован при исследовании оптических свойств протяженной облачности в

других географических районах.

Полученные оценки . оптических толщин различных форм облачности по данным многолетних измерений могут применяться при параметризации радиационных процессов в моделях климата и общей циркуляции атмосферы.

Разработанный косвенный метод расчета суммарной УФ радиации, обладающий высокой точностью, дает возможность оценить ресурсы УФ радиации различных географических регионов.

Методические аспекты работы могут использоваться в исследованиях аналогичного профиля и в учебном процессе кафедры ' метеорологии и климатологии.

I Основные методы и средства решения. Для решения поставленных задач был использован двухпотоковый метод 8-Эддингтона,-позволяющий рассчитать спектральный состав прямой Б^, рассеянной и суммарной радиации при безоблачном небе и в условиях однородного облачного слоя, имеющего различные оптические характеристики. Этот метод позволяет решить задачу с достаточной точностью и с минимальными затратами машинного времени. Выбор параметров, входящих в модель, проводился с учетом последних рекомендаций ВМО и результатов многолетних измерений, проводимых в МО МГУ;

В- качестве экспериментальных данных для исследования спектрального состава УФ радиации при наличии облаков разных морфологических форм были использованы результаты измерений, полученные с помощью спектрбметра, разработанного в МО МГУ и позволяющего измерять солнечную радиацию в ультрафиолетовом и частично в видимом диапазоне длин вола. Использовались экспериментальные данные, полученные в теплый период года в Москва (1379 г.), в Карадага (1981г.), и при непосредственном

участии автора - в Кисловодске.(1984г.), в Карадаге в (1985г.), на Звенигородской Сазе ИФА (1389г.).

На основании данных ежечасных измерений УФ радиация (Л£380нм) и облачности в МО МГУ проведено исследование влияния облаков различных форм на суммарную УФ радиацию за период с 1968 по IЭ8Эгг., а 'также разработан косвенный метод расчета средних суточных сумм суммарной УФ радиации на основании данных измерений за 1980-1989гг. Предлагаемый косвенный метод расчета был , проварен на независимом материале наблюдений в Москве, не входящем в выборку (I975-1979гг. и 1990г.). Для анализа закономерностей изменения средних суточных сумм УФ радиации по территории ЕГС использовались данные климатических справочников по 103-м пунктам для января и июля.

Апробация работы. Результата работы докладывались на 33 сешнара ! Региональной группы СПКОР (Советская программа климатологии облачности и радиации) в 1989 г. в Баку, на 38 межведомственном семинаре по радиационному теплообмену в 1990 году в Ленинграде, а такае на 40 и 41 семинарах по радиационному теплообмену, проходивших в Москве в апреле 1991 г. и в январе 1992 г.

f,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и об1ем диссертационной работы. Диссертация состоит из б глав, введения, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 181 странице, включает в себя 49 рисунков и 27 таблиц. Список литературы насчитывает 141 наименование , из них 1б-зарубекта авторов.

-6-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, определяются задачи, научная новизна и практическая значимость исследования, приводятся сведения об используемых материалах.

Глава I. Методика расчета и измерений В первом параграфе обосновывается выбор метода б-Эддингтона дня расчета потоков УФ радиации, изложены основные его положения. В п.1.2 показано, какие входные данные были использованы в модели, чем был обусловлен их выбор, приводятся распределения, параметров по слоям атмосферы. Для обоснования использования оптических характеристик облачности составлена сводная таблица по данным различных авторов, " включающая геометрические, микрофизические и оптические параметры облачности разных морфологических форм. В п.1.3 и 1.4 описаны приборы, с помощью которых велись измерения УФ радиации. Для проведения работ были использована два типа спектрометров, разработанных в метеорологической обсерватории МГУ Д.В.Взеощнаа, Н.П.Гарадош и Е.й.Шзваль на базе двойного конохроматора ДМР-4 с кварцевой оптикой, измеряющих прямую, рассеянную к суммарную радиацию в диапазоне длин волн соотватствэвно ЗОО-ББОш и 330-760ш.- При измерении прямой радиации на ивтегрирущую насадку надеваются сменные тубусы с углом зрения или 10°. При измерении рассеянной радиации применяется стандартный акгаюштрический экран, игашишацяи шаадапкз на входное отверстие прибора радиации "тапосродствозшо ог диска Солнца и околосолнечной зоны в угла 10°. Ррвдукраька сшетрокатра в единицах энергетической освзг^ш&стя (нВтжЧю) проводится пз измерениям прямой радавцзш . долган хютодда йугера. Улътряриэлетмвтр является прибором шдогравьвого таза,

измарявдим • УФ радиацию в области ;^380нм. Он был разработан сотрудниками МО МГУ Д.В.Высоцким и М.П.Гарадаа и поставлен на регистрацию поступающей рассеянной и суммарной УФ радиации в 1967г. В п.1.5 приводится сопоставление результатов измерений и модельных расчетов как для узких спектральных интервалов, так и для всего УФ диапазона длин волн, которое показало их хорошее согласие.

Глава 2.. Влияние различных параметров на

пропускание облаками суммарной ультрафиолетовой радиации с«,

... . ол»

На основания модельных расчетов детально исследуется характеристика облачного слоя Сод^О^/Чл* гда суммарная

радиация при наличии протяженной -облачности, 0о- суммарная радиация при отсутствии облаков. Оценивается чувствительность пропускания суммарной радиации протяженным облачным слоем (с^) в зависимости от высотного профиля озона, аэрозольных свойств атмосферы, высоты расположения и геометрических размеров облачного слоя и изменения высоты Солнца. Показано, что для ЪЗООнм- изменение величины практически не зависит, от

вариаций этих факторов. Незначительная чувствительность к перечисленным факторам (0.Б-4Ж) наблюдается в области 300-320нм. В то кэ время их воздействие существенно усиливается для области спектра \<300нм. Одаако солнечная радиация в этом диапазоне спектра практически не доходит до поверхности Земли, поэтому этими изменениями мокно проЕобрэчь.

Установлено такжз, что зависимость С^ от высота Солнца о ультрафиолетовой области спектра практически отсутствует, в то время как в видимом диапазоне спектра она достаточно четко, выражена.

Гдава 3. Влияние облачности на спектральный состав ультрафиолетовой радиации по данным расчетов и измерений

В результате проведенных расчетов были получены спектры рассеянной и суммарной УФ радиации при протяженной облачности, обладающей различными оптическими характеристиками (Приложение, часть I). Были обобщены также данные спектральных измерений рассеянной и суммарной радиации в УФ и видимом диапазоне длин волн при различных формах облаков за период с 1979з; по 1989г. (Приложение, часть 2). На основании расчетных и измеренных дшшых проведено исследование спектрального распределения УФ радиации при сплошном покрове облаков верхнего и нижнего ярусов в зависимости от высоты Солнца, условий прозрачности атмосферы и оптических характеристик облаков..

Действие облаков верхнего яруса на спектральный состав рассеянной и суммарной УФ радиации сравнимо с влиянием аэрозоля, в то время как влияние плотной облачности нижнего яруса на величины'^* и в значительной степени превосходит действие аэрозоля. Оптические свойства одного и того ¡ш морфологического вида облаков нижнего яруса обладают большой изменчивостью, в результате чего их воздействие на как в УФ, так и в видимом диапазоне длин волн кошт различаться на порядок.

Анализируется изменчивость характеристик пропускания рассеянной (С^) и суммарной (С^) радиации сплошным облачным покровом в зависимости от задаваемых в модели оптических параметров облаков - оптической толщины (тс), альбедо однократного рассеяния (шс) и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния (рис.1). ги<ов»>пено детальное исследование пропускания рассеянной

Ж- 350 Ж. . 450 4в0 530

Ряс Л ^ Зависимость величин (а) и 0^(6) от длины

волны при различных оптических параметрах облаков.

Х=0.3 атм.см, ho=40°. I."V=I. gc=0.84, u)c=I.O, 2.-^5,

gc=0.84, uc=I.O, 3.-tc=10, gc=0.84, uc=I.Q, 4.-Tc=20, gc=O.G4,

cjc=I.O, 5.--tc=50, g„=0.84, uc=I.O, 6.-lc=I, gc=0.7,

я =0.7, u-=0.9. По результатам измерений: В- 10/0 Cl,

С С с

9-CuCb 10/10, Ю- CbPrnb IO/IO.

радиации кристаллическими и капельными облаками (рис.1а). Оно показало, что для перистых облаков при отсутствии поглощения в облаке для Я>310нм отмечается рост рассеянной радиации по сравнению с ясным небом, увеличивающийся с длиной волны.

Максимальные значения С^ при кристаллических облаках для видимого диапазона спектра отмечаются для тс=1.0-1.6 <с1Л=550нм=2*1-2,2 ^Р14 ис=1 • В УФ области максимум рассеяния получен уже для более тонких облаков, и он значительно меньше по абсолютной величине (Сц^гЗЮтГ1 ЯРИ тс=0.3-0.6). С уменьшением параметра шс максимальные' значения С^ также уменьшаются.

Вследствие того, что капельные облака нижнего яруса, в отличие от облаков верхнего яруса, могут обладать большими оптическими толщинами, рост рассеянной радиации по сравнению с ясным небом при некоторых значениях тс сменяется ае уменьшением (С^<1) ( Например, для Х=310, начиная с тс=2.5; для а.=380нм -с тс=8; для А.=550нм' - с тс=22). При тонких облаках (^1) значения (^<1 могут отмечаться дяя Х.<310нм, а также при наличии поглощения в облаке. Так, поглощение в кристаллитескогл облаке с хс=! ведет к ослаблению рассеянной радиации для области А.<380нм по сравзэншо с ее вздачкной при ясном неба. УстановлэнЕыэ закономерности хорого согласуются с ■ экспериментальными результата®.

Зависимость величава С^ от дягш волны показала, что она имеет немонотонный характер с иэксидуьш в ойяаста &=ЗШ-ЗЗОнм, как для кристаллически:, так в дяя капельных облаков (рис.10).

Для объяснения этого ©акта представим величину С^ в сдадаг^м виде:

где ~ Доли прямой радиации, приходящей на

горизонтальную поверхность и рассеянной в суммарной радиации при безоблачном неба; и С^-пропускание прямой и

рассеянной радиации облаками верхнего яруса. Как известно, прямая радиация ослабляется облаками неселективно, поэтому характер изменения С,^ определяется, с одной стороны, ослаблением ра^эянной радиации в коротковолновой области , спектра (ЛхО.Змкм), где ее доля в суммарной радиации велика и, с другой,- большей долей прямой радиации в длинноволновой УФ части спектра, которая гораздо сильнее ослабляется облаками. Аналогичное изменение величины С^ в зависимости от длины волны получено по данным спектральных измерений.

Анализ влияния альбедо поверхности на величины Сгд и С^ показал, что при наличии тонких облаков верхнего яруса и высоком значении альбедо поверхности вклад переотраяенной радиации меаду поверхностью земли и шпеней границей облаков в суммарную УФР пренебрежимо мал. При плотных облаках нижнего яруса он может значительно изменять приход УФ радиации. Параметр С^ обладает большей чувствительностью к альбедо подстилающей поверхности, чем С^. Это об'ясняется некоторым увеличением доли рассеянной радиации в суммарной при'ясном небо при высоком альбедо поверхности, а таете вкладом переотраженной радиации от поверхности земли и нижней граница . облачности. Совокупность зтих факторов ведет к некоторому увеличению чувствительности параметра по сравнении с к изменению альбедо подстилающий поверхности.

Влияние облаков на суммарную радиацию существенно увеличивается для \<300 нм. Это важно иметь в виду при оценках экологических последствий уменьшения содержания озона,

приводящего к возрастанию радиации сашх коротких длин волн солнечного спектра, и. возможной компенсации этого эффекта облачностью.

Глава 4. Радиационные характеристики облаков различных форм в УФ области спектра и оценка их оптических свойств

по данным многолетних измерений в Москве .

Поскольку пока не проводятся регулярные спектральные наблюдения в УФ области спектра, то изучение радиационных и оптических свойств облаков различных форм проведено на основании данных многолетних измерений прибором интегрального типа (Л^ЗШнм). Возможность использования этих материалов обусловлена также тем, что зависимость параметра от длины волны при Х>ЗООнм выражена довольно слабо (рис.16) Облака верхнего яруса, как было показано выше, оказывают воздействие на УФ радиацию, сравнимое с влиянием аэрозоля. Поэтому при их изучении необходимо тщательно выбирать величину ао, учитывая ее зависимость от прозрачности атмосферы. Для втого из всех случаев наблюдений о облаками верхнего яруса выбирались дни, для которых можно было определить прозрачность атмосферы, или ш соседние с ними дни при неизменной синоптик екой ситуации и отсутствии вымывания аэрозоля осадками.

На основании многолетних наблюдений (1968-1985гг.) получено, что при облаках верхнего яруса потери суммарной УФ радиации составляют 4-6*' и не завиоят от сезона года. Наибольшее ослабление УФ радиации (на 1С«) отмечается при шристо-слоистых облаках в теплый период года. Рост рассеянной УФ радиации по сравнению с ясным небом невелик ж составляет порядка I*, в то время как для интегрального потока отмечается

значительный рост рассеянной радиации (в среднем на 3055). В большинстве случае» характер распределения CD и cQ для УФ области спектра близок к нормальному.

Оценки тс облаков верхнего яруса по данным многолетних измерений в МО МГУ определялись по регрессионному соотношению:

Cq=-0.24-Tc +1.00 (2)

Оно получено по данным Звенигородского комплексного

■ эксперимента, в ходе которого измерялись истинные оптические толщины облаков верхнего яруса с помощью спектрального комплекса ША с углом 15* на длине волны Х=2.1мкм. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что облака верхнего

■ яруса имеют оптические толщины, в среднем не превышающие 0.5, т.е. они являются довольно тонкими, что подтверждается многолетними измерениями оптических толпцш облаков на спектральном комплексе ЙФА, по которым в 80# случаев значения Чс не превышают 0.4 [П.П.Аникин, 1989].

Сопоставление результатов расчетов и измерений величины . ôCq/oIç показывает, что отсутствие поглощения в облаке (uc=I) меньше удовлетворяет результатам эксперимента, как по отдельным дням, так и в среднем за весь период наблюдений, чем наличие поглощения (шс=0.9). Это послужило основанием предположить, что в облаках верхнего яруса присутствуют загрязненные кристаллы льда.

До настоящего времени не организованы регулярные наземные измерения оптических толщин плотное облачности. В связи с этим был разработан метод определения оптических толщин облаков по двнннм об У4Р, которы* такие позжмявт исключить искажающее влияние альбедо подстила**«* поверхности. Отсутствие

зависимости CQ от высоты Солнца в УФ области спектра, в отлйчиэ от видимой области, дает.право рекомендовать эту характеристику именно в УФ диапазоне длин волн в качестве исходного параметра при восстановлении оптических толщин облаков. При этом в силу крупных размеров облачных частиц можно считать величины тс в УФ области равными хс в видимой части спектра.

На основании модельных расчетов была получена связь между CQ (Х<380нм) и оптической толщиной капельного непоглощащего облака tc ( u0=I, go=0.84) при альбедо поверхности А3, равном нулю:

тс=[га2-т-(га2+4Ь2)°-б)/2-Ъ, (3)

где m-a-logto^ =Q).

Высокое значение множественного коэффициента корреляции (r2=0.997) свидетельствует о надежности данной аппроксимации.

. Влияние альбедо поверхности Земли на изменение потоков радиации с учетом, эффектов многократного отражения можно представить в виде:

Q=Qa =0 /(1-А3Т), (4)

3

где г - доля переотраженной радиации, возвращаемая из атмосфер'' обратно к земле. Величина г выражается уравнением: r»ro- (1-к) + (г0+к Г(т0))-н, или r-r0+i£-H-f(Tc>, (Б) где N-балл облаков в долях единицы.

к- коэффициент, характеризующий отражательные свойства однородного облачного слоя .

Результата модельных расчетов при ясном небе показали, что при увеличении содержания аэрозоля в 2 pesa г меняется слабо и значительно уменьшается при введении поглощающего аэрозоля.

Зависимости г •от высоты Солнца практически не отмечается ( в пределах 3% при ьо>10°). Используя многолетние данные измерений при ясном небе в теплый и холодный периоды года при известных значениях Л3, была получена величина го=0.13.

Для исключения нелинейной зависимости г от т:с, будем рассматривать связь г с С^. Для условий континентальной аэрозольной модели (ВМО, 1986) и протяженного облачного слоя (М=1) с параметрами и>с=1, ®с=0.84 величина г равна:

г(0д)=-0.5а-0од =0 +0.92, г=-0.999 (6)

Тогда общая формула, учитывая влияние- альбедо на

потоки суммарной УФ радиации, принимает вид:

Од =0А _о /(1-Ад-[0.13+ 0.58-ГГ (1-Сод =0)]) (7)

о 3 3

Используя это выражение, можно представить входной параметр =0, который используется в уравнении (3) в

3

следупцам виде:

°0А =0 =°о1»-0.71-А3)/(1-0.58-А3-Оо;), (8)

3 3 3

ГДе С013-\/0о(А3=0) Поскольку альбедо травы в УФ области спектра близко к нулю, то знаменатель выражения Сд^ легко определяется по • данным

многолетних измерений в летний период при ясном небе для летних и зимних условий прозрачности атмосферы.

Для климатических оценок представляет интерес величина Сд в зимний период, включающая вклад пэрэотракенной радиации между вемной поверхностью и облаком. В связи с втим рассчитывалась Величина знаменатель которой определялся по данным

многолетних измерений при ясном небе -в холодный период при

' ' -16-

средних условиях прозрачности атмосферы для зимних условий.

Зависимости суммарной радиации от высоты Солнца при ясном небе для соответствующих условий прозрачности атмосферы в теплый, и холодный периоды выражались в виде регрессионных соотношений с коэффициентами корреляции г>0.995.

Выборка данных при сплошном покрове облаков в зимнее время осуществлялась лишь при наличии снежного покрова высотой не менее 10 см, т.е. при однородной подстилающей поверхности.

Абсолютная ошибка метода определения оптических толщин облаков с учетом погрешности величины 0^ составляет Лт0=1.Б-3. Это свидетельствует об удовлетворительной точности расчета оптических толщин облаков при тс> Ш.

На основании предложенного метода для многолетнего ряда наблюдений получены оптические толщины облаков разных типов для теплого и холодного периодов, не отягощенные погрешностями, связанными с влиянием на их величину альбедо подстилающей поверхности.

Рассмотрим некоторые радиационные и оптические свойства облачности различил форм.

Анализ данных за 1968-1990г. показал, что при облаках среднего яруса потери суммарной УФ радиации составляют в среднем 25% и слабо различаются по сезонам года.

Кривые распределения Сд для летнего и зимнего периодов имеют два максимума. Один из них равен 0^1 и обуславливается, вероятно, большей повторяемостью просвечивающих облаков (Ао 1;гапв и А б 1гапв). Другой равен СдШ.6 и связан с пропусканием' радиации клотнымк облвкамн типа Ао ор, Ав. ор.

Срвдяке оптические гаиины облаков среднего яруса в

теплый период равны тс=4, значительно увеличиваясь (до тс=8) в холодный период года.

Оценка пропускания суммарной УФ радиации облаками нижнего яруса за 1980-1989г. показала, что в целом оно гораздо меньше", чем в случае облаков среднего яруса. В теплый период ■ радиационные свойства облаков типа зг и Бо можно считать близкими (табл.1). Потери суммарной УФ радиации в них в среднем составляют 68£. Наиболее сильно ослабляют УФ радиацию слоисто-дождевые облака (более, чем на 80%). В летнее время Сд для большинства типов облачности имеет логнормальное распределение. В зимнее время радиационные свойства всех облаков нижнего яруса мокно считать близкими за исключением слоисто-кучевой облачности. Потери суммарной УФ радиации в них составляют 6Б-67&, а в слоисто-кучевых облаках они несколько меньше: 60$. В зимнее время распределение Сд для всех видов облаков можно считать близким к. нормальному. Распределение величины Сд при слоисто-кучевых облаках также как и для облаков среднего яруса имеет бимодальный характер.

В теплый период года наибольшими оптическими толщинами обладают слоиото-доздэвые облака (медианные оценки гс равны Б8)(табл.2). В холоданй период оптические толщины облаков нижнего яруса кроме 5о близки и составляют порядка 40-45. Наиболее низкие оптические толщины в холодный период имеют слоисто-кучевые облака (тс«34).

На основании эмпирических данных подобраны кривые распределения оптических толщин облаков нижнего яруса.

Оптические толщины облаков нижнего ярусаг п целом, в летнее и зюннее время практически одинаковы (тс«*г-43).

Таблица I.

Статистики распределения пропускания суммарной УФ радиации при сплошном покрове облаков низшего яруса за теплый (С^) и холодный периода (Сд*). Числитель-теплый период, знаменатель- холодный период.

st N8 Эо

Среднее 0.32/0.33 ■ 0.18/0.35 0.32/0.39

Медиана 0.31/0.31. 0.16/0.35 . 0.29/0.39

Мода 0.32/0.33 0.14/0.33 0.22/0.38

о . 0.18/0.12 0.09/0.13 ' 0.15/0.15

Минимум 0.10/0.11 о/о.оа О/О

Максимум 0.77/0.73 0.56/0.70 0.81/0.96

,1.7/ 4.7 7.2/2.2 5.0/3.5

1.3/1.7 • 8.0/-1.8 0.7/0.4

. п 16 /192 125/468 293/879

а1 0.999/0.189 0.037/0.999 0.00/0.60

а2 параметры логнормальнсго распределения среднее о 0.999/0 . 0.18/0.09/- 0.999/0.32/0.17/-

Пояснения к таблице:

А^-стандартизированное значение асимметрии

Еа1;- стандартизированное значение эксцесса

аТ- уровень значимости для нормального распределения по критерию Колмогорова-Смирнова. а2- уровень значимости для логнормального распределения по критерию Колмогорова-Смирнова.

Таблица 2.

Статистики распределений оптических толщин тс облаков нижнего яруса

Числитель-теплый период, знаменатель- холодный период.

зг N8 Бо

Среднее 37/47 59/45 34/40

Медиана 28/45 58/40 30/34

Мода 40/50 59/31 25/22

о 24/21 24/23 20/23

Минимум 4/8 11/5 3/0.5

Максимум 88/116 134/170 176/170

V 1.3/3.5 2.4/16.5 12.2/16.5

Ч).2/1.3 0.96/16.3 27.0/16.3

п 16/192 124/468 291/877

а! 0.99/0И54 0.53/0 О.С^О.О

а2 ПопамаФгит -/- -/0.37 не рассч.

логнормального распределения: среднее -/- -/45 -/41

а -/- -/25 -/28

Примечания:

*-для облаков бо в теплый период подходит гамма-распределение с параметрами:

а»2.й9, р^О.ОЭ (уровень значимости а=0.92)

Глава 5- Косвенный метод расчета суммарной УФ радиации

Актуальность разработки косвенного метода расчета

суммарной УФ радиации обусловлена тем, что в нашей стране

отсутствует сеть наблюдений за УФР. Предлагаемый метод основан

на том, что суммарную радиацию, приходящую к поверхности Земли,

можно представить как функцию нескольких переменных:

. о = о0(н0,р2 )-А(А3,11,т0)-сш(и,т;0), (9)

где а0 -суммарная радиация, приходящая к земной поверхности

при безоблачном небе,. высоте Солнца Ь0, коэффициенте

прозрачности р2 и А3=0;

А - множитель, связанный с влиянием альбедо поверхности

на систему земля-атмосфера и определяющийся также количеством

общей облачности (н) и оптической толщиной облаков (тс);

сш-множитель, характеризующий ослабляющее действие

облаков и зависящий от балла и оптической плотности облаков. На основании многолетних измерений при ясном небе величину ао можно представить следующим образом:

0о=(0.098+0.26-р2М^-205 (10)

Абсолютная ошибка расчета величины <Э0 по формуле (10) не превышает 1-1.5 Вт/м2 и находится в пределах разброса полученных эмпирических зависимостей а0 от 1г0 и р2.

Для учета ослабляющего действия облачности согласно предложению В.А.Белинского (1968) использованы данные о повторяемости числа дней с общей облачностью 0-2, 3-7, 8-10 баллов и числа дней без Оолнца:

СШ=С0(0-2) • Р1+СЦ(Э-7) • Р2+Са(8-[Ш( )• РЗ+Сд(10) • Р4 (II) где Р1-повторяемость ясных (0-2 балла) дней;

Р2-повторяемость дней с переменной облачностью (3-7 баллов);

РЗ- повторяемость дней с облачностью 8-[ТО| баллов;

Р4- повторяемость числа дней без Солнца за месяц.

На основании многолетних измерений были уточнены коэффициенты Сд(з-7), СЦ<8-1ТО|), Сд(Ю), характеризующие пропускание суммарной УФ радиации различным баллом облаков. -Тогда, используя полученные значения, выражение (II) можно представить в виде:

Р »1-11+0.86-Р2+0.6Э-РЗ+0.28-Р4 , (12)

Учитывая уравнения (7),(10),(12), для расчета суточных сумм суммарной УФ радиации предлагается едедумцев выражение:

¿(а.оэв+о.гб-р-М!*-206-^ -сны

--(-2—о-1-( (13)

I (1-А3- (0.13+0.58- (1-01Ш>)

где СШ- (Р1 +0.86-Р2+0.69- РЗ+0.28' Р4)

Альбедо поверхности А3 принималось равным нулю в теплое время года и в переходные периоды (март-апрель, октябрь-ноябрь), когда наличие снекного покрова отмечалось менее 10 дней в месяц. В случаях, когда снежный покров наблюдался 10-20 дней, альбедо поверхности считалось равшм А3«0.36, а когда незагрязненный снекный покров отмечался более 20 дней - равным А3=0.73. Величина н- П-оа) из формулы (7), характеризующая ослабление радиации облачностью, в конечном варианте была заменена на (I -сям), что позволяет точнее учость потери суммарной УФ радиации.

Проверка метода проводилась на независимом материале^ по данным 72-х месяцев измерений, не входящим в выборку (1976-1979ГГ.,19901.). Показано, что средние ошибки расчетов равны как для отдельных сезонов так и за год в целом, а мак -симальная погрешность составляет 14%. Следовательно, предложенной Метод расчета принципиально верно реагирует на изменчивость

облачного покрова и свойств подстилающей поверхности в течение года.

Результаты проведенных расчетов были сопоставлены с данными измерений, а также с аналогичными вычислениями .В.А.Белинского, Л.М.Андриенко [1974] и М.П. Гарадаа, Е.И.Незваль [1984]. Метод В.А.Белинского приводит к занижении на 10-20%, которое' особенно существенно для летнего периода. Эти расхождения об'ясняются, главным образом, более низкими коэффициентами пропускания УФ . радиации облачностью при 3-7 и 8-цо]баллах, определенными на основании недостаточно большого количества данных. Расчеты £а, выполненные М.П. Гарадаа, Е.И.Незваль, удовлетворительно сходятся с результатами измерений в январе, но несколько завышают величину 2а в июле. Однако из-за использования в этом методе эмпирических коэффициентов, которые имеют сезонный ход, связанный с климатическими особенностями данного пункта, его нельзя применять для больших территорий.

. Таким образом, предложенный метод расчета суммарной УФ радиации отличается более высокой точностью (&%), которая является удовлетворительной при вычислении средних за месяц суточных сумм суммарной УФ радиации. Его могога использовать в различных географических регионах, поскольку он позволяет легко учитывать местные климатические особенности (прозрачность атмосферы, альбедо, подстилающей поверхности, повторяемость различных градаций балла облаков).

Этот метод был использован для выявления закономерностей ' изменения средних' суточных сумм УФР по широтному и меридиональному профилям, проходящим через Москву в диапазоне 21-53°в.д., 43-67°с.ш. по данным 103-х метеостанций (Приложение, часть 3).

Авадиз закономерностей в распределении возможных суточных сумм суммарной УФ радиации показал, что 2<30 уменьшаются к высоким широтам: в июле от 1270 кДа/м2 на <р=43.5°с.ш. до 1070 кДж/м2 на (р=67°с.ш. а в январе - соответственно от 300 кДж/м2 до 4 кДк/м? Резкое снижение прихода радиации к северу в зимний период об'ясняется быстрым уменьшением высоты Солнца с широтой. Летом уменьшение Еао выражено значительно слабее, чем зимой, за счет меньших различий в высотах Солнца, а также из-за того, что в высоких широтах значительно возрастает продолжительность светового дня.

В январе фактические суточные суммы суммарной УФ радиации с севера на юг ЕТС изменяются от 2 до 190 кДж/м2, в июле -от 800 кДж/й2 до ИБО кДя/м2. Основные закономерности в изменении 20 в январе связаны, главным образом, с изменением высоты Солнца, т.е. с влиянием астрономического фактора. Однако для <р=43-47°с.и., несмотря яа увеличение васот Солнца с уменьшением шрот пункта, суточные суша) суммарной УФ радиации остаются примерно одинаковыми. Это происходит из-за того, что на самых ггашх станциях устойчивый спегсный покров не устанавливается и, следовательно, отсутствует дополнительный вклад переотраженной УФ радиации в й5, В капе поступление УФ радиации в большей стзпощ! определяет облачность. Это подтверждается более те слой овяаьи тзду 24 и стш в иилэ- по сравнении с январем.

Лнпляз изменения ¿'0 с ЗЕлада зш восток в январе показал, что опз ва^ьаруют от 70 до 90 кДк/м3 и полностью определяются рзгавйэм облачности, уиеныпззацойся я востоку вследствие ушлвчекяя повторяемости шггициклональиай погоду. в ипте оуодгаго суккн сушэрнсА УФ радиации йвмоняются ногвячталмю ■ (850-940 кЯй/м3! и тягся обусловлена влиянием облачности.

-24В заключении подводятся итоги работы, формулируются наиболее ванные выводы.

1. На основании реализации метода б-Эдангтона разработана пятислойная радиационная модель атмосферы, позволяющая получить 'спектральное распределение рассеянной и суммарной УФ радиации при различном содержании озона, аэрозоля и в широком диапазоне оптических характеристик протяженной облачности.

2. Результаты спектральных расчетов и измерений рассеянной и .суммарной радиации в УФ и частично в видимом диапазоне спектра

• при различных морфологических типах облаков были обобщены и об1единены в сводный каталог.

3.На основании данных расчета исследована связь пропускания . суммарной радиации, С^, с различными параметрами атмосферы.

' Доказано, что для А,>300нм величина С^ определяется в основном оптическими свойствами облагав. . Зависимость С^ в ультрафиолетовой области спектра от высоты Солнца практически отсутствует, в то время как в видимом диапазоне спектра ею пренебрегать нельзя. Пропускание суммарной радиации облачностью для А^ЗООнм болов чувствительно к вариациям содержания аэрозоля, озона и характеру их распределения по высоте.

4. По данным расчетов и измерений исследован характер изменения СВА.'И соя в завшимоожи от длины волны и оценены связи между атнми характеристиками и оптическими параметрами облаков

.. * (оптической толщиной, альбедо однократного рассеяния и фактором асимметрии индикатрисы рассеяния), а тага® альбедо подстилающей поверхности. Показано, что влияние облаков на суммарную радиацию существенно возрастает для ^<300 нм. _ б. На основании многолетних измерений были оценены потери суммарной УФ радиации (\s3B0hm) для различных форм облаков.

-256. Разработан метод определения оптических толщин облаков различных морфологических видов, исключающий искажающее влияние альбедо подстилающей поверхности на их величину.

7. Впервые для многолетнего ряда наблюдений получены оптические толщины облаков разных форм для теплого и холодного периодов, не отягощенные погрешностями, связанными с влиянием на их величину альбедо подстилающей поверхности.

На основании эмпирических данных подобраны кривые распределения оптических толщин облаков нижнего яруса. Показано, что оптические толщины облаков нижнего яруса в летнее и зимнее время близки и составляют тс=42-43.

8. Разработан косвенный метод расчета средних суточных сумм суммарной УФ радиации, обладающий высокой точностью (6%) и позволяющий учитывать влияние облачности, альбедо поверхности, высоты Солнца, прозрачности атмосферы. Это дает возможность надежно определять ресурсы УФ радиации в различных географических регионах.

9. Проанализированы пространственно-временные закономерности распределения УФ радиации на ЕТС по широтному и меридиональному профилям, проходящим через Москву. -

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Оценка влияния сплошного покрова облачности на величину и спектральный состав солнечной радиации.- Тезисы докладов X конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока , Иркутск, 1987, 101-103 о.

2, Влияние облаков верхнего яруса на солнечную радиацию в различных участках спектра по данным наземных измерений. Радиационные свойства пэриотнх облаков", М., Наука, 1989,

сЛ30-148.(совместно с Г.К.Абакумовой, Т.В.Евневич, Е.И.Незваль, О.А, Шиловцевой )

3.Спектральное распределение солнечной радиации в интервале длин волн 290-560 нм при сплошном покрове облаков верхнего яруса. "Радиационные свойства перистых облаков", М. Наука, 1989,сЛ48-152 (совместно с Е.И.Незваль )

4. Влияние облаков верхнего яруса на интегральную и ультрафиолетовую радиацию .по данным наземных многолетних наблюдений в Москве .В сб. МГК при президиуме АН СССР •Повторяемость и радиационные свойства облаков верхнего яруса', Москва, 1990, стр.25-42. (совместно с Г.М.Абакумовой,

О.М. Изаковой, Е.И.Незваль )

б. О связи пропускания рассеянной и суммарной радиации в различных участках спектра с оптической толщиной перистых облаков. Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, N 9, 1991, стр.967-972. (совместно с Г.М.. Абакумовой, Е.И. Незваль )

6. Радиационные свойства облаков верхнего яруса по данным спектральных измерений в интервале 310-560 нм. Изв. АН СССР, ФАО, N0 9,1991, стр.1015-1021. (совместно с Е.И.Кезваль )

7. Влияние перистых облаков на ослабление суммарной ультрафиолетовой радиации по результатам моделирования. Изв. АН СССР, ФАО, N0 9, 1991, стр.1022-1027.