Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Ресурсы солнечной радиации Тропической зоны Северной Африки

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Ресурсы солнечной радиации Тропической зоны Северной Африки"

На правах рукописи

. Диаби Идрисса

УДК 551.521

РЕСУРСЫ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ТРОДОЧЕСКОИ ЗОШ СЕВЕРНОЙ АФРИКИ

11.00.09 - Метеорология, климатология, ' агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Одесса 1993г.

Работа выполнена в Одесском гидрометеорологическом институте

Научный руководитель:-кандидат географических наук, доцент Волошина Ж.В.

Официальные оппоненты:.доктор географических наук, профессор Одесского гидрометеорологического института Мк ¡енко Зинаида Антоновна . . -кандидат географических наук, ст.научный сотрудник Украинского научного центра экологии коря Шинкевич Наталья Геннадиевна.

Ведущая организация: Украинский научно-исследовательский

гидрометеорологический институт,г.Киев

Защита диссертации состоится " I * июля 1993 года в 10 часов на заседании специализированного совета К 068.04.01 в Одесском гидродетеородогическоы институте в вале заседаний по адресу: 270016, Одесса-16, ул.Львовская, 15.

С диссертацией млкно ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологическо:'0 института,

Автореферат разослан " " /ьСЩл 1993 года

Ученый секр< , лрь ) ^ у

специализирован» :о совета .' Н.С.Лобода

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годи усиливается внимание к источникам возобновляемой энергии, к энергии Солнца, в частности. Гслиоэнергетика предъявляет определенные требования к актинометрической и метеорологической информации. Необходимо создавать гзлиоэнергетические кадастры, которые позволили бы экономично и грамотно использовать энергию Солнца. . '

Современное состояние проблемы оценки ресурсов солнечной радиации района тропической зоны Северной Африки (ф = - 0° + 25° с.п.Ч можно оценить следующим образом:

- имеются карты (масштаб 1:50000000) распределения суммарной радиации по территории ААрики, построенные Т.Г.Бер-лянд по данным косвенных расчетов полуэмпирическими методами и впоследствии уточненные ею по данным актинометриче-ских наблюдений; масштаб карт не позволяет достаточно надежно оценить потенциальные запасы солнечной энергии для НУЗД гелиоэнергети1си с учетом внутренней структуры процесса поступления солнечной радиации;

- солнечный кадастр в настоящее время для исследуемой территории не создан; кроме средних климатических характеристик он должен включать статистические параметры, описывающие его временную изменчивость и вероятностные характеристики, описывающие колебательный характер поступления солнечной радиации на земную поверхность;

- исследование и типизация эмпирических распределений плотности вероятности суммарной солнечной радиации и аппроксимация их аналитическими выражениями выполнена только для территории СССР; подобные исследования для района тропической зоны Северной Африки никем негроводились, диссертационная работа в определенной мере ликвидирует этот пробел;

на необходимость исследования процесса поступления солнечно]'': радиации в частотной области указывали некоторые исследователи, в диссертационной работе эта задача решается.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется еэ направленностью на решение важной научной и практической проблемы - разработку солнечного кадастра для тропической зоны Северной Африки, позволяющего учесть вн"трентою структуру процесса поступления солнечной радиации, , . .

Цель 'и задачи исследования. Цель диссертационной работы - оценить потенциальные ресурсы солнечной радиации тропической зоны.Северной Африки пугем создания солнечного кадастра. В соответствии с этим решались следующие научные задачи: 1

- разработка модели кадастра для района исследования с учетом наличия и доступности для гелиоэнергетики информации о показателях кадастра;

- исследование временной и пространственной изменчивости показателей кадастра;

- отыскание связности и периодичности в рядах солнечной

радиации и солнечного сияния.

i ■

Использованные материалы и методика исследования.

Исследуется суммарная солнечная радиация как энергетический поток, обладающий наибольшей консервативностью, которая проявляется в фактической независимости от. высо?:.! ме-ч ста наблюдения, устойчивости средних величин. В работе"использованы материалы актиномзг.рических наблюдений за суммарной солнечной радиацией 13 станций, расположенных более или менее равномер-ю по территории тропической зоны Север-, ной Африки за период от 10 до 2о лет (средние- месячные величины в'¡.Щж/м^-сутки 1, полученные в Мэздународнсм центре актинометрических данных в г.Оанкт-Петербурге. Данные ежедневных наблюдений за суммарной солнечной радиацией И,об-, щей облачностью получены в научном центре г.Кснакри (Гвинея^ за период 19с37-1990 гг.

Кроме этого, использовалась информация с средних отметках общей об.»очногти для района исследования, имеющаяся в Сборниках актинометрических данных, а также о средней, продолжительности солнечного сияния,

В результате статистической обработки рядов суммарной.

в

радиации и продолжительности солнечного сияния (среднемесячные величины1 были рассчитаны основьые моменты. Исследовался их временной ход и проводилось картографирование на картах масштаба I:2500000 для января, апреля, июля и октября.

Тенденция эмпирических-распределений выполнена по методике 3.И.Иивоваровой и В.В.Стадник. Произведена аппрок-симация'плотности вероятности эмпирических распределений • аналитическими выражениями.'

Статистическая структура рядов сумма рюй радиации, солнечного сияния и общей облачности сезонных рядов (36 рядов для 12 станций^ изучалась также посредством корреля- . ционного и спектрального анализов.

Обеспеченность средних месячных величин потока суммарной радиации и вероятность технически приемлемых величин рассчитывалась по методике Лебедева на основании анализа интегрального распределения.

Научная новизна работы состоит в создании кадастра солнечной радиации для района тропической зоны Северной Африки и подробном исследовании временной и пространственной изменчивости его показателей. Впервые исследуется колебательный характер показателей кадастра, статистическая взаимосвязь между процессами суммарной радиации и солнечного сияния, суммарной радиацией и облачностью.'Получены количественные оценки вклада этих процессов во взаимную ■корреляцию, распределения энергии между гармониками различных периодов.

Основные результаты работы, представляющие предмет защиты, следующие:

- разработан кадастр солнечной энергии для целей гелио-энергетики для исследуемой территории;

- установлены законы распределения суммарной солнечной радиации и решена задача их аналитического представления;

- определены особенности статистической структуры временных рядов суммарной солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния з зависимости от сезона;

- построены карты распределения основных:- статистических моментов для суммарной солнечной радиации и солнечного сияния на территории тропической зоны Северной Африки;

- установлена методом автокорреляционного анализа внутренняя связность рядов суммарной радиации и продолжительности солнечного сияния; ^

- выявлена периодичность исследуемых процессов и характер колебания различных масштабов методов спектрального и взаимно-спектрального анализа.

Практическая ценность работы. Результаты исследования предназначены, в первую очередь, для использования в гелиотехнике при решении задач определения режима работы, производительности, вариации выработки и объемов энергии, эффективности аккумулирования энергии и др. *

Алпробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в "Записках Университета Конакри" (Гвинея) и депонированы в Укр.НИГИ, доложены на научном семинаре кафедры общей метеорологии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников, приложения. Объем работы составляет 200 страниц машинописного текста, 22 таблицу 26 рисунков,. Список использованных источников включает НО наименований, Приложение составляет 20 таблиц на 36 страницах. ;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы и определяется задачи исследования.

В первой главе представлено климатическое описание, района исследования и краткий физика-географический очерк тропической зоны Северной Африки. Здесь приводится, по литературным источникам, информация о величинах потока суммарной солнечной радиации, особенностях климата различных частей территории. Эта информация необходима для понимания и объяснения пространственной изменчивости показателей солнечного кадастра л оценки вклада астрономического (широтного') .и циркуляционного (облачного^ факторов.

Во второй главе рассматриваются климатические методы оценки ресурсов солнечной радиации. Предварительно подробно описываются прямые и косвеннее методы получения информации

о солнечной радиации.

К косвенным методам относятся климатические расчеты среднемесячных величин суммарной солнечной радиации методами эмпирических формул, основанных на учете факторов, которые обусловливают наиболее существенные изменения потоков прямой и рассеянной радиации: высоты Солнца, прозрачности атмосфе-' ры, степени облачности, продолжительности солнечного' сияния и др. Из многочисленных проанализированных формул предпочтение отдано формуле Т.Г.Берлянд, которая требует минимума легко доступной информации (степени облачности), многократно использовалась и проверена многими исследователями.

• Здесь также показано, что временная структура рядов суммарной солнечной радиации описывается коэффициентами асимметрии ( А V и эксцесса (Е которые выражают существенные особенности эмпирического распределения,'

Для оценки потенциальных гелиоэнергетических ресурсов территории создаются кадастры солнечной энергии. Разработанные в настоящее время солнечные кадастры в большинстве случаев не учитывают вероятностную природу поступления солнечной энергии; все они, в основном, построены на осредненных и суммарных значениях различных характеристик солнечной радиации и солнечного сияния. Современный солнечный кадастр должен включать характеристики, описывающие стохастические процессы, и их оценку с вероятностной точки зрения.

В третьей главе изложены результаты исследования кадастровой оценки гелиоресурсов тропической зоны Северной Африки. В качестве показателей солнечного кадастра выбраны суммарная солнечная радиация, продолжительность солнечного сияния, количество облачности, коэффициент пропускания коротковолновой радиации и комплексный показатель - "солнечный потенциал";

Коэффициент пропускания атмосферы рассчитывается как отношение реального потока суммарной солнечной радиации у эемлиС Qp ) к величина внеземной-радиации на широте пункта наблюдения ( Qa ), i.e. 1

Безразмерный комплексный показатель «7 - "сстаечный потенциал" рассчитывается как отношение

где йр!йр; бр - среднегодовая величина ¿?р , К^Щво* N - общая облачность в долях единица. '

Квадратическая зависимость </ от делает показатель "солнечный потенциал" чувствительным к изменению , увеличивает диапазон его колебаний, что позволяет использовать его как для расчета суммарной радиации, так и для типизации условий ее поступления,

В главе 3 показано, что существует тесная корреляционная связь меад/ суммарной радиацией, коэффициентом пропу-. екания и "солнечным потенциалом". Она описывается уравнением линейной регрессии

03 = 19.57;+ 1,61(17 - 1.66) ' - ( I ) йн =19.57 + 26.84Ш - 0.5э) ( 2 )

. При необходимости получения информации косвенными ме-' юдами предлагается для исследуемой территории использовать . несколько видоиамененну») формулу Т.Г,Берлянд "

• Отшй'ь У - ( з )

где йо - суммарная солнечная радиация при безоблачном небе; N - общая облачность; Я- и - числовые коэффициенты.

Используя вместо 0!а величину внеземной радиации ¿?0 41 вводя безразмерный коэффициент С ;, получим формулу

(¡¿р Ж С во [(<-ол&к]~о.4<>*2] ( 4 )

которая позволяет рассчитывать возможные реальные среднеме- . , сячные величины.потока суммарной радиации на территории тропической зоны Северной Африки с учетом особенностей пяти широтных зон (дискретность 5° по широте). Коэффициенте поручен путем сравнения <2т и йР , С « й^йт . Величина. С табулирована помесячно и поширотно,

Временная и пространственная изменчивость показателей солнечного кадастра описывается соответствующей изменчивостью средних величин, коэффициентов вариации, асимметрии и эксцесса. В диссертационной работе представлены таблицы го-

радиации составляет 115 ¿Щж/м2-сутки. Используя эту величину как критерий оптимального гелиорежима, была определена вероятность технически приемлемого потока суммарной радиации на . территории тропической зоны Северной Африки. Зависимость между потоком суммарной радиации 5 и вероятностью (Р%) оптимального гелиотехнического режима описывается уравнением регрессии

Р.= 0.14 й - 1.82 ( 5 )

»•

Статистический анализ суточных сумм суммарной радиации . и средних величин общей облачности по материалам ежедневных актинометрических наблюдений станции Научного центра Гвинеи (г,Конакри) за 1987-1990 гг, выполнен для 12 месяцев.

На основании описанных выше соотношений величин асимметрии и эксцесса исследованы и типизированы эмпирические распределения частот суточных сумм суммарной радиации ( % ) и общей облачности ( N У, Все распределения характеризуются слабой и умеренной'асимметричностью. Для сухого сезона типичен положительный эксцесс, а для влажного - отрицательный. Для;сухого сезона характерны 1У и У типы. Это отражает ту особенность, что. в сухой сезон-преобладают большие суточные величины. Влажный (дождливый) сезон в Конакри характеризуется большой повторяемостью низкой кучево-довдевой облачности, которая сглаживает суточный ход суммарной радиации и для У-УШ месяцев характерно йлосковершнное- распределение по У1 типу. Все типы распределения аппроксимированы законом Лапласа-Шарлье. Для Конакри такие построена номограмма обеспеченности; суточных сумм суммарной радиации ( ^ ) по информации об интегральной повторяемости.

Полный статистический анализ выполнен и для рядов общей облачности, проведена типизация эмпирических распределений и аппроксимация их теоретическими выражениями.

В четвертой главе представлены результаты исследования внутренней структуры процесса поступления суммарной радиации и солнечного сияния на территорию тропической зоны Северной Африки. Для этого использована центральная смешанная момент-ная функция второго порядка - автокорреляционная функция.

В диссертационной работе анализируются автокорреляционные и спектральные функции, рассчитанный для каждой из 12 стан-

ций по рядам (( и £5 длительностью II лет. Ряды составлены из ежемесячных средних величин, расчеты выполнены по программе ЯК У на ЭВМ ЕС-1022. На рис.3 представлены автокоррелограммы и спектрограммы процессов О, и 55 для нескольких станций, расположенных в различных широтных зонах исследуемой территории. Все автокорреляционные функции - эргодиче-ские, в абсолютном большинстве они превращаются в ноль на третьем шаге при сдвиге 3 месяца. Период колебаний (Т) сохраняется постоянным, частота колебаний ( /> ) соответствует приблизительно годовому периоду. • .

Так, автокоррелограммы процессов и 35 станций Ассуан и Тгманрассет ( У' = 23°с.ш.) показывают, что амплитуда колебаний сохраняется очень высокой и затухание автокорреляционной функции происходит медленно. Эти функции аппроксимируются выражением

. V

¿¡т), ( 6 )

При этом декремент затухания равен 0.10 и 0.12 соответственно .

Автокоррел-ограммы процессов 0. и станций Дакар

и Вау-Медзни ( ^ь14°с.ш.) 'затухают быстрее, амплитуда колебаний в 2-3 раза меньше, они аппроксимируются затухающей кот-синусоидой вида '

е .. со$ръ. < ? )

Автокоррелограммы функций широтной зоныС^а=,12°с.ш. (станции Уагадугу» Вафатя, Джибути) затухают с различной скоростью, форма их усложняется, появляются короткопериодные гармоники, ло связано с нерегулярность© наступления влажного сезона. Автокоррелограммы всех остальных станций =10х1°с.ш.) являются затухающими косинусоидами о декрементом затухания о^ = 0.30 4 0.40 . Слабая связность соседних среднемесячных величин суммарной радиации в районе экватора, по-видимому, связана с миграцией через экватор в течение года внутритропи-ческой зоны конвергенции,

. Анализ распределения энергии по спектру колебаний,показывает, что максимальнее количество энергии сосредоточено на

So

so 1(0 20 ■ o

3q 60

1Ю 20 O

Sq 60 i.0 го o

SQ| 60 IfQ га o

Л

û)

оЖ

-0.5

cm. Дакар, «f> - Wc.ui

-0.5

cm. Bog - MegoHU , »f = \U°2U'l.\u.

cm. Уагадугу , if; 12°21 с.ш.

-0.5

«о га эо ьа so во

•i т.,

5 fo 13 га 1.MEC

9 6 ц s í '."«г

cm. Kumnne,, »p г l'Ol'c.m.

Pue. 3 ЙЬтокоррелвциенныс (5) и спектральные (а)

функции процессов суммарной салнеинйи роуии^ич ((J ) и сопт.много сияния ( S.5 )

частотах, соответствующих годовым колебаниям. Спектры суммарной солнечной радиации узкополосные, а солнечного сияния, в основном представляют собой "белый шум". Такое соотношение спектрограмм двух временных процессов, имеющих общую физическую природу, объясняемся тем, что процесс .поступления суммарной радиации более устойчив, так как в отсутствии солнечного сияния суммарная радиация не равна нули, а равна рассеянной радиации.

Кроме годовых пиков, в спектре четко выделяются еще полугодовой и двух-трехлетний, Интенсивность их в спектрах станций различна. Сравнение наших результатов с имеющимися в литературе данными для умеренных широт показало, что они отличаются приташиально другим распределением энергии по спектру. В тропической зоне Северной Африки 75-80% энергии колебательного процесса суммарной солнечной радиации приходится на годовые колебания, а 2д& - на "белый шум", а в умеренных широтах это распределение зеркально противоположное. ,

Автокорреляционному и спектральному, анализу были подверг- . Нуты временные ряды для последовательных климатических сезонов, выделенных нами ранее. Межгодовая устойчивость режима сохраняется достаточно высоко на севере территории и практиче--ски отсутствует вблизи экватора. Особенность распределения энергии в спектрах сезонных временных рядов заключается в том, что повсеместно существуют невысокие пики, соответствующие колебаниям трех-четырехлетнего периода, в них сосредоточено 50& всей энергии процесса.

Взаимосвязь процессов @ и 65 исследовалась методом взаимно-корреляционного анализа. Коррелограммы представляют собой незатухающие колебания около нуля. Только на нулевом сдвиге коэффициент взаимной корреляции описывает связность процессов $ и 65 , которая проявляется хорошо на всей территории. Аоррелограммы позволяют утверждать, что ос-

новная гармоника взаимных колебаний - годовая. Корреляция основных энергонесущих компонент 12 и 55 значительно превосходит общую. Максимумы когерентности приходятся на те гармоники, которым соответствуют максимумы спектральной плотности ( Т = 11-12 месяцев и Т «= 32 месяца).

В табл.1 представлены разности фаз процессов $ и 55 для основных энергокесущих гармоник, для которых 0.50, их вели-

чины свидетельствуют о синфазности годовых колебаний процессов Я и 55 , остальные гармоники сдвинуты по фазе незначительно.

Таблица I

Разности фаз В (в месяцах) для основных энергонесущих гармоник

! Период (месяцы)

Станция { 32 ! 26-21 1 1 18-16 ! 14 I 12

Ассуан 2 3 I I I

Вад-Медани 2 о 3

Уагадугу 2

Китале 13 I 0 О 0

Автокорреляционному и спектральному анализу были также подвергнуты ряды последовательных. суточных, сумм суммарной радиации ^ и средних отметок общей облачности станции Конакри ( Гвинея) для каждого из 12 месяцев. Высокая межсуточная кор-релированность характерна для сухого сезона (1-П) н центрального месяца влажного сезона (УН). Остальные автокоррелограммы являются следствием наложения случайных колебаний и не представляют интереса. Все спектрограммы располагаются ниже доверительного интервала. Но тем не менее, следует обратить;внимание на то, что низкие пики спектральной плотности находятся в сходных энергетических зонах спектров' у и N . Они относятся к гармоникам, кратным четырем суткам.

Взаимно корреляционная функция процессов ^ и N для всех месяцев отрицательна на нулевом сдвиге. Хорошо согласуется о-особенностями режима Цп N функция когерентности и- разность фаз 9 . Высокая когерентность как ковариантных, так контвариантных гармоник свидетельствует об устойчивости соответствующих разностей фаз.

Исследование взаимосвязи процессов поступления суммарной солнечной радиации $ с процессами солнечного сияния и облачности выполнены впервые. Они представляют как самостоятельный научный интерес, так,и практический, Количественная оценка взаимосвязи этих процессов позволит гелгоэнергетику при оценке устойчивости режима поступления солнечной радиаши использовать более доступную ин форма цют - о продолжительности солнечного

сияния и облачности.,

ВЫВОДЫ '

В диссертационной работе выводы сформулированы в 14 пунктах. Отметим основные.

1. Для комплексной оценки потенциальных гелиоресурсов территории тропической зоны Северной Африки впервые создан солнечный кадастр, который включает информацию о среднемесячных величинах суммарной солнечной радиации, продолжительности солнечного сияния, общей облачности, коэффициента пропускания коротковолновой радиации и "солнечного потенциала". Последние два показателя введены впервые. Для показателей кадастра рас- . считаны статистические моменты и исследованы их временная и пространственная изменчивость.

2. Создан комплект карт (в количестве 44 карт масштаба

I:2500000) распределения среднемесячных1 величин потока суммарной радиаши, продолжительности солнечного сияния и коэффициентов вариации, асимметрии и эксцесса этих величин, облачности, коэффициента пропускания. Это позволяет составить пред-■ ставление об изменчивости во времени и пространстве суммарной солнечной радиации и солнечного сияния, '

3. Для решения ряда задач гелноэнергетики проведено исследование законов распределения показателей кадастра(суммарной радиации и солнечного сияния) внутри климатических сезонов на каждой станции. Формирование сезонных рядов проведено с использованием введенного показателя - "солнечного потенциала". Для территории тропической зоны Сёверной Африки это сделано впервые.

Подобраны б законов, хорошо аппроксимирующие б типов эмпирических распределений суммарной радиации.

4. Проведена вероятностная оценка повторяемости средне- . месячных величин суммарной солнечной радиации для расчета обеспеченности повторяемости технически приемлемых ее величин. Построены номограмм« и графики для расчета вероятности". .

5. Показано, что процессы поступления суммарной солнечной радиаши и солнечного сияния являются полигармоничегскйми. Использован метод автокорреляционного анализа, который позво-. лил выявить основные гармоники процессов: годовую, полугодовую и двух—трехлетнюю. Разложение энергии колебаний но сцоктру гармоник (спектральный анализ) показало, что 75-80 % ■

всей энергии приходится на гармонику с годовым периодом. Это новый результат. Сравнение с аналогичными данными свидетельствует о зеркальной противоположности распределения энергии по,спектру колебаний в умеренных широтах, где на эту гармонику приходится 25 % энергии.

. 7. Сравнение энергетических спектров показывает, что имеется соответствие масштабов колебаний процессов С( и 55 , О, л N . Высокая коррелированность их проявляется в том, что коэффициенты когерентности высоки, хотя пики спектральной плотности малы.

8, Впервые статистическими методами исследована взаимная связность процессов суммарной радиации ».солнечного сияния, суммарной радиации и облачности. Для этого использованы методы взаимно корреляционного и взаимно спектрального анализов. Установлена синфазность колебаний основных энергонесущих гармоник, ! . -г

. Основные положеншгдиссертации изложены в следующих работах; V

1. Волошина Ж.В., Диаби И., Кейта М. Оценка потенциальных .ресурсов солнечной радиации Гвинеи. - Записки Университета Конакри. - Изд. Университета Кокакри, 1987 (фр.).

2. Волошина Ж.В., Диаби И, Кадастровая оценка ресурсов солнечной радиации тропической зоны Северной Африки. -Деп, в Укр.НИНТЙ, 1993.

'Подл.к печати 27.0Б.93г. Формат 60x64 Г/1Р,. Об"ем 0,7уч изп.л. 1,0п.л, Заклз »1076.Тираж ГООякз. Гортипогряфия Одесского управления по печати, цехЖЗ. Ленина 49. .