Под редакцией канд. геогр. наук В.Ф.Радионова

НАУЧНО - ПРИКЛАДНОЙ СПРАВОЧНИК

ПО КЛИМАТУ РОССИИ

(арктический регион)

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

Под редакцией
канд. геогр. наук В.Ф.Радионова

Санкт - Петербург

Гидрометеоиздат

1997

Аннотация

В настоящем справочнике содержатся данные по солнечной радиации и радиационному балансу, полученные на сети полярных станций. Использованы материалы актинометрических наблюдений по 1992 г. Данные рассчитаны и обобщены по принципу максимальной информативности.

Предназначен для обеспечения различных отраслей народного хозяйства и для научных целей.

Научно - прикладной Справочник

по климату России

(арктический регион)

Солнечная радиация

Редактор Н.П.Муравьева

Гидрометеоиздат,
199397,
Санкт-Петербург,
ул.Беринга,38.



Содержание

Предисловие

Введение

Радиационный режим

Пояснения к таблицам

Таблицы

  1. Время восхода (В) и захода (З) Солнца на 15-е число каждого месяца (время среднее солнечное)
  2. Высота Солнца на 15-е число каждого месяца, град
  3. Даты начала и конца полярного дня и полярной ночи
  4. Потоки солнечной радиации (кВт/м2) и коэффициент интегральной прозрачности атмосферы при ясном небе
  5. Потоки солнечной радиации при средних условиях облачности, (кВт/м2)
  6. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2) на нормальную к лучу поверхность при ясном небе и интегральная прозрачность атмосферы
  7. Суммы прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе, (Мдж/м2
  8. Суммы суммарной солнечной радиациипри ясном небе, (МДж/м2)
  9. Суммы прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности, (МДж/м2)
  10. Суммы прямой солнечной радиациина горизонтальную поверхность при средних условиях облачности, (МДж/м2).
  11. Суммы рассеянной солнечной радиации при средних условиях облачности .(МДж/м2).
  12. Суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м2) и альбедо деятельной поверхности (%) при средних условиях облачности
  13. Радиационный баланс деятельной поверхности при средних условиях облачности, (МДж/м2)
  14. Статистические характеристики коэффициента интегральной прозрачности атмосферы (Р2)
  15. Статистические характеристики прямой солнечной радиации, Мдж/м2
  16. Статистические характеристики рассеянной радиации, Мдж/м2
  17. Статистические характеристики суммарной радиации, Мдж/м2
  18. Статистические характеристики альбедо подстилающей поверхности, %.
  19. Статистические характеристики радиационного баланса подстилающей поверхности, Мдж/м2.

Список литературы.



Предисловие

Данное издание продолжает серию публикаций "Научно-прикладного справочника по климату СССР", подготовленного в управлениях и научно-исследовательских институтах Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды по единой методике, разработанной Главной геофизической обсерваторией им. А.И.Воейкова (ГГО) и утвержденной редакционной коллегией Госкомгидромета.

В настоящий (Научно-прикладной справочник по климату России (арктический регион). Солнечная радиация.( включены результаты климатологической обработки актинометрических наблюдений, полученных на сети станций с длительными и однородными рядами наблюдений.

Справочник предназначен для обеспечения народного хозяйства климатической информацией, для научных исследований. Базовые данные, содержащиеся в справочнике, и данные, получаемые на их основе, могут быть использованы для:

Данные справочника представлены в виде таблиц статистических характеристик различного временного разрешения: месячного, суточного и срочного.

Характеристики месячного разрешения рассчитаны за годы внутри периода с 1939 по 1980 гг. Для таблиц, содержащих данные об экстремумах, ряды продлены по 1992 год.

Характеристики суточного и срочного разрешения рассчитаны за период с 1935 по 1980 гг.

Справочник подготовлен по материалам наблюдений и первичной обработки, полученным в отделах климата ГМЦ Амдерминского, Диксонского, Тиксинского, Певекского УГКС.

В Амдерминском УГКС работы выполнялись под руководством и при участии инженера-климатолога Л.Н.Молчановой, инженерами-актинометристами Н.Г.Антоновой, В.Ю.Шваревой, Н.И.Чупраковой, инженером-климатологом В.А.Ашмянцевой, старшим техником И.Л.Калабиной. В работе принимали участие С.Г.Базилевская, Л.Н.Николенко, В.В.Тиханов. Програмное обеспечение для расчета таблиц выполнено под руководством начальника отдела механизированной обработки информации Гидрометцентра В.И.Молочникова инженерами-программистами Е.Н.Ворошиной и А.Я.Коршун.

В Диксонском УГКС работы выполнялись под руководством и при участии начальника отдела климата Гидрометцентра Н.Г.Канунниковой, старшим инженером Н.Б.Григорьевой, инженерами Адамович Т.Н., Горбенко В.В., Елисеевой Н.Л., Савва О.Л.

В Тиксинском УГКС работы велись под руководством и при участии начальника отдела климата Гидрометцентра М.Г.Артамонова инженерами-метеорологами Павловым О.Н., Сигалаевой Н.В., старшими техниками Федюкович С.Б., Чернявской В.В. и Яковлевой Т.К.

В Певекском УГКС работы выполняли старший инженер-климатолог А.И.Лобанова, инженер-климатолог Л.П.Шаповалова и техник В.Н.Некрасова.

Подготовка настоящего "Справочника выполнена в 1996 г. в отделе метеорологии ААНИИ под общим научном руководством заведующего отделом метеорологии к.г.н. В.Ф.Радионова ответственными исполнителями к.г.н. М.С.Маршуновой, младшим научным сотрудником Ю.Е.Пимановой. В работе принимали участие научные сотрудники А.А.Мишин, Н.И.Лукьянчикова, старший инженер В.В.Дубовцева, инженеры Э.О.Ванюшина, З.П.Гробовикова, В.А.Широкова.

Научная экспертиза материалов проведена в Арктическои и антарктическом научно-исследовательском институте к.г.н. М.С.Маршуновой и в Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова ст. инженером Н.Н.Плохинской.

ВВЕДЕНИЕ

Справочник по радиационному режиму Российской Арктики содержит многолетние данные о прямой (S, S'), рассеянной (D) и суммарной (Q) радиации, альбедо (А) , радиационном балансе (В) подстилающей поверхности .
Таблица А
Продолжение табл.А

Актинометрическая сеть России в Арктике, начало наблюдений на которой в отдельных случаях относится к довоенному времени, позволила собрать обширный материал наблюдений. В cправочнике приведены данные наблюдений 15 арктических станций . Период наблюдений на отдельных станциях составляет более 50 лет, (табл.А)

В комплекс стандартных актинометрических наблюдений входили измерения в определенные сроки потоков прямой, рассеянной, суммарной радиации, альбедо, отраженной радиации и радиационного баланса подстилающей поверхности. Все измерения потоков радиации сопровождались определением высоты Солнца, подробной метеорологической характеристикой. Измерения потоков радиации проводилось от 4 до 8 раз в сутки, а также обязательно в полдень и в полночь по истиному солнечному времени, остальные сроки распределились между ними равномерно. На всех станциях получены часовые, суточные, месячные и годовые суммы параметров радиационного режима. При отсутствие непрерывной регистрации суточные суммы соответствующих элементов радиации вычислялись по результатам срочных наблюдений путем их линейной интерполяции между сроками.

В справочнике помещены значения коэффициента интегральной прозрачности атмосферы (Р2), расчитанные по значениям прямой солнечной радиации по стандартной методике [6].

В справочнике помещены также средние квадратические отклонения и экстремальные значения месячных сумм радиации. Помимо значений радиации при средних условиях облачности, составлены таблицы для условий ясного неба (облачность не выше 2 баллов).

В 1970 году в производстве стандартных актинометрических наблюдений произошли значительные изменения - был осуществлен переход на непрерывную регистрацию всех элементов радиационного баланса (кроме прямой радиации) без выполнения срочных наблюдений. Для контроля данных регистрации выполнялись сравнительные наблюдения по дополнительным приборам. Прямая солнечная радиация из-за отсутствия следящих систем наблюдалась четыре раза в сутки. Поэтому в настоящем справочнике приведены месячные суммы S', полученные как разность суммарной и рассеянной радиации (S'= Q-D).

В качестве датчиков радиации использовались стандартные актинометрические приборы [9]: актинометры АТ-50, пиранометры М-80, балансомеры М-10. Измерительным прибором при срочных наблюдениях служил в основном гальванометр ГСМ-1, регистрация до 1965 г. осуществлялась дисковыми гальванографами или самопищущими милливольтметрами. С 1965 г. применяется многоточечный электронный потециометр ЭПП-09. Все термоэлектрические датчики поверялись в Центральном бюро поверки и во время работы периодически поверяются по контрольному актинометру (днем) или балансомеру (ночью). Такая система поверок и контроля обеспечивает надежность величин всех элементов коротковолновой радиации (S',D, Q, A). Менее надежны значения радиационного баланса из-за больших систематических ошибок (до 30%) при наблюдениях по балансомеру.

Все виды наблюдений, их обработка и контроль производились в соответствии с "Руководством" [6] и инструкциями ААНИИ.

Условные обозначения и сокращения

S - прямая солнечная радиация на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам;

S' - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность;

D - рассеянная радиация;

Q - суммарная радиация;

A - альбедо подстилающей поверхности;

B - радиационный баланс;

Bk - баланс коротковолновой радиации (поглощенная радиация);

Вд - Баланс длинноволновой радиации;

Rk - отраженная коротковолновая радиация;

P2 - коэффициент интегральной прозрачности атмосферы;

h¤- высота Солнца над горизонтом;

п.д. - полярный день;

п.н. - полярная ночь;

Радиационный режим
Условия формирования

Накопленные к настоящему времени материалы актинометрических наблюдений позволяют оценить роль различных факторов в формировании радиационного режима подстилающей поверхности, уточнить полученные ранее средние характеристики и изучить пространственную и временную изменчивость отдельных радиационных элементов.

Известно, что радиационный режим Арктики характеризуется рядом особенностей по сравнению со всеми другими районами земного шара Эти особенности определяются ее географическим положением, структурой атмосферы и облачности, свойствами подстилающей поверхности. [1,3,7,8]

Явления полярного дня и полярной ночи обуславливают неравномерное поступление солнечной радиации в течение года. Продолжительность полярного дня и ночи для станций материалы которых помещены в настоящем справочнике, приведена в табл.1. Расчеты сделаны с учетом рефракции. Вследствие рефракции продолжительность полярного дня несколько больше, чем полярной ночи. В период полярного дня полуденная высота Солнца уменьшается с увеличением широты, а полуночная - увеличивается. Таким образом, средняя высота Солнца на разных широтах в пределах Арктики в течение полярного дня остается постоянной (табл.2.). Это обстоятельство оказывает существенное влияние на характер географического распределения месячных сумм радиации.

На всех станциях с октября по май наблюдается устойчивый снежный покров; июнь и сентябрь - месяцы его схода и установления (табл.Б ). Установление и сход снежного покрова в отдельные годы может происходить раньше или позже средних дат на 2-3 недели, что приводит к большим колебаниям альбедо в эти сезоны.

Таблица Б

Характеристика подстилающей поверхности на актинометрической площадке.
Станция период устойчивого снежного покрова Поверхность в бесснежный период
обс.им.Кренкеля7 IX29 VIтундра, лишайники, камни
Желания, мыс29 IX3 Viiроссыпь песчаника
Голомянный,о-в12 IX28 VIмелкие камни, глина
Визе, о-в12 IX23 VIилисто-песчаная почва, мох, лишайник
обс.им.Федорова16 IX4 VIIкаменистая тундра
Уединения,о-в20 IX20 VIилистая тундра, мох, лишайник
Диксон, о-в1 X14 VIмох, обнаженная почва, камни
Котельный, о-в16 IX16 VIтундра, покрытая травянистою раст.
Преображения,о-в12 IX11 VIпесчаник, покрытый травянистой раст.
Муостах, о-в2 X6 VIтундра, торфяные кочки
Четырехстолбовой25 IX30 Vтундра, покрытая мохом, травой
Врангеля, о-в27 IX4 VIгалька, гравий, песок
Ванкарем9 X2 VIгалька, песок
Уэлен18 X9 VIгалька, песок

Характер радиационных процессов в значительной степени зависит от условий облачности и прозрачности атмосферы, вариации которых в значительной степени определяются циркуляцией атмосферы. Для всей Арктики характерным является увеличение облачности от зимы к лету и последующее ее уменьшение в начале осени, хотя наблюдаются некоторые различия в отдельных районах.

Различия параметров облачности в отдельных районах Арктики наблюдаются главным образом, в зимний период, что обусловлено характером атмосферной циркуляции, наиболее интенсивной в это время года. Антициклональный режим погоды усиливается с запада на восток. Летом различия в климатических условиях в отдельных районах Арктики сглаживаются. Облачность повсюду велика, преобладают низкие слоистые облака.

По характеру циркуляции и распределению основных метеорологических элементов в Российской Арктике можно выделить три климатических района.

Западный район включает станции: обс. им. Э.Т.Кренкеля, м.Желания, о.Визе, о.Уединения, о.Диксон. Зимой для этого района характерна максимальная повторяемость циклонов северо-атлантического происхождения, что влечет за собой увеличение облачности и аэрозольного загрязнения атмосферы по сравнению с другими районами.

Сибирский (или Центральный) район охватывает станции: обс. им.Е.К.Федорова, о.Преображения, о.Котельный, о.Муостах, о.Четырехстолбовой. В холодный период года метеорологические условия района определяются воздействием сибирского антициклона. Температура воздуха здесь ниже, облачность меньше, осадки выпадают реже и меньше, чем в других районах. Летом облачность велика.

Восточный район включает : о.Врангеля, Ванкарем, Уэлен. Этот район зимой оказывается под сильным воздействием тихоокеанских циклонов. Однако, повторяемость циклонов и их интенсивность здесь значительно меньше, чем в Западном районе.

Малое влагосодержание и относительно низкие уровни аэрозольного загрязнения обуславливают высокую прозрачность атмосферы в Арктике.

Прямая солнечная радиация

Одним из основных параметров, определяющих особенности радиационного режима любого района земного шара, являются месячные суммы солнечной радиации.

Годовой ход прямой радиации определяется изменением высоты Солнца и облачностью. Возможный их месячный приход, так называемые возможные месячные суммы, рассчитывались в предположении, что в течение всего месяца было ясно (табл.6,7).

Годовой ход возможных сумм прямой радиации определяется главным образом изменением высоты Солнца и продолжительности светлого периода, и, в меньшей степени, изменениями прозрачности атмосферы. В период полярного дня месячные суммы прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, не зависят от широты, так как к северу одновременно с уменьшением полуденной высоты Солнца происходит такое же по величине возрастание полуночной. В весенние и осенние месяцы происходит уменьшение радиации с возрастанием широты.

Пространственное распределение средних месячных сумм прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность (табл.10) весной и осенью определяется астрономическими факторами (различной продолжительностью светлого времени) - с возрастанием широты радиация уменьшается. Влияние облачности в эти сезоны сказывается в нарушении чисто широтного хода. В период полярного дня, когда влияние астрономических факторов сглажено, поле радиации определяется режимом облачности.

В годовом ходе средних месячных сумм прямой солнечной радиации максимум отмечаелся не только в июне, когда продолжительность дня и высота Солнца наибольшие, но и в другие месяцы (апрель-июль), когда облачность оказывается меньше, чем в июне.

Изменчивость средних месячных и годовых сумм радиации количественно оценивается величиной стандартных отклонений (, которые являются показателем устойчивости радиационного режима. Наименее устойчивой оказывается прямая солнечная радиация. Коэффициент вариации в течение года изменяется от 30% в марте-апреле до 40-50% в августе-сентябре.

Потоки прямой солнечной радиации (S), измеренные при ясном небе ( табл.4) характеризуют прозрачность атмосферы. В качестве характеристики прозрачности использовался коэффициент прозрачности при атмосферной массе m=2

где Srho,30 - поток прямой солнечной радиации, приведенный к среднему расстоянию между Землей и Солнцем и к высоте Солнца 30 (или массе атмосферы m=2), So - поток солнечной радиации на границе атмосферы, или солнечная постоянная, равная 1.38 кВт/м2 согласно Международной пиргелиометрической шкале (МПШ-1956г.).

В различных районах Арктики средние значения коэффициента прозрачности (Р2 ) и их годовой ход значительно различаются, В большей части Арктики на наиболее северных станциях, в отличие от всех других районов земного шара, наблюдается возрастание Р2 летом. В наиболее южных арктических районах (Чукотское море) прозрачность атмосферы летом снижается. Особенно отчетливо эта особенность видна по экстремальным значениям Р2 .Такие особенности годового хода Р2 определяются различным соотнощением ослабления радиации водяным паром и аэрозолем [2].

В отдельные периоды происходили существенные понижения прозрачности по сравнению со средними многолетними значениями. За период инструментальных наблюдений прямой солнечной радиации в Арктике было отмечено три глобальных понижения прозрачности атмосферы [3,4,5]. Они были связаны с последствиями извержения вулканов Агунг в марте 1963 г. ( 8.2° S), Эль-Чичон а апреле 1982 г. ( 17,3° N) и Пинатубо в июне 1991 г. ( 15° N ). Снижение прозрачности достигало 8-12%, доля аэрозольного ослабления прямой солнечной радиации от общего ее уменьшения достигала в эти годы 50% при среднем многолетнем ее значении 38%. Рассеянная радиация

Значение потоков рассеянной радиации зависят от высоты Солнца, количества и формы облаков и отражательной способности подстилающей поверхности. При облаках среднего и нижнего ярусов наблюдаются наибольшие значения рассеянной радиации, совпадающие по величине с суммарной. Из-за большой облачности, характерной для всей Арктики в летний период, на долю рассеянной радиации приходится большая часть суммарной.

Максимум месячных сумм рассеянной радиации наблюдается всегда в июне при наибольшей высоте Солнца. Характерной особенностью пространственного распределения рассеянной радиации является ее малая изменчивость по территории. Лишь в марте и октябре распределение месячных сумм рассеянной радиации имеет слабо выраженный широтный ход (табл.11)

Вклад рассеянной радиации в общий приток солнечной радиации для годовых сумм составляет при безоблачном небе 20-25%, при средних условиях облачности 60-70%. Доля рассеянной радиации в суммарной меняется в течении года: минимум в марте-апреле (55-60%), и вторичный небольшой минимум (60-70%) - в июле, в остальные месяцы 70-80%. Суммарная радиация

Суммарная радиация регулируется прозрачностью атмосферы, количеством и типом облачности и в некоторой степени свойствами подстилающей поверхности.

Месячные суммы возможной суммарной радиации с сентября по апрель уменьшаются с возрастанием широты. С мая по июль - в период полярного дня - происходит увеличение возможной радиации с возрастанием широты на 5-8%. Но кроме широтных изменений радиации, связанных с астрономическими факторами, отмечается ее зависимость от свойств подстилающей поверхности. За счет последнего фактора возможная суммарная радиация изменяется на 10-15%. В этот период величина возможной суммарной радиации оказывается различной на одной и той же широте в районах, свободных от снега и льда, и в районах дрейфующих льдов и ледников.

Большая облачность, характерная для всей Арктики в летний период снижает поступление прямой солнечной радиации на 70-80% и в то же время увеличивает рассеянную радиацию. В результате суммарная радиация уменьшается лишь на 20-50% в зависимости от сезона (табл.В).

Соотношение прямой и рассеянной радиации в общем приходе суммарной радиации в течение года и в зависимости от района меняется значительно. В большей части Арктики в течение всего года рассеянная радиация превышает прямую. Весной это обусловлено малыми высотами Солнца, летом и осенью - большой облачностью. Лишь на самых южных из полярных станций, где наблюдается наибольшее количество солнечных дней, доля прямой солнечной радиации в суммарной достигает 40-50% главным образом в весенние месяцы (март-апрель).

Основные особенности внутригодовой и пространственной изменчивости характеристик радиации связаны с тем, что весной и осенью месячные величины прямой и суммарной радиации обуславливаются главным образом астрономическими факторами: с возрастанием широты радиация уменьшается. В период полярного дня, когда влияние астрономических факторов сглажено, поле радиации определяется режимом облачности, а для суммарной радиации и свойствами подстилающей поверхности

С ноября по январь в большей части Арктики полярная ночь и приток радиации отсутствует. На широте полярного круга радиация менее 20 МДж/м2.

В феврале - марте и сентябре - октябре распределение величин радиации имеет почти правильный широтный характер, лишь несколько уменьшаются значения над открытой водной поверхностью Баренцева моря, где наблюдается наибольшая облачность.

С апреля по август распределение радиации не имеет выраженного широтного хода. Образование отдельных районов повышенного и пониженного прихода радиации определяется условиями облачности и альбедо подстилающей поверхности (наличие или отсутствие льда). Минимум радиации наблюдается над открытой водной поверхностью над Баренцевым морем. Над паковыми льдами Арктического бассейна, несмотря на самую большую облачность (более 9 баллов), суммарная радиация возрастает вследствие многократного отражения между льдом и нижней границей облаков. Альбедо

Значения альбедо поверхности суши по данным стационарных наблюдений, приведенных в таблицах справочника, являются интегральними показателями отражательной способности поверхности метеорологической площадки. Альбедо естественных поверхностей, встречающихся на рассматриваемых актинометрических площадках полярных станций, летом составляет от 10 до 18%. В период со снежным покровом альбедо устойчиво (78-85%) и мало меняется по территории. В период схода и установления снежного покрова альбедо составляет 30-40%.

В отдельные годы могут быть значительные отклонения альбедо от средних величин, особенно в июне и сентябре в зависимости от сроков схода и установления снежного покрова.

В табл.18 указаны экстремальные месячные величины альбедо, полученные за период наблюдений по каждой станции и средние квадратические отклонения, характеризующие межгодовую изменчивость.

Альбедо различных поверхностей суши и моря по наблюдениям с самолетов и по походным наблюдениям в районе полярных станций приведены в таблице Г.

Альбедо подстилающей поверхности в Арктике испытывает значительные сезонные вариации. Большую часть года поверхность в Арктике покрыта снежныйм покровом. Наиболее длительный период залегания снежного покрова отмечен в западном районе -до 300 дней в году, а наиболее короткий - в восточном. Устойчивый снежный покров в Арктике устанавливается в среднем в конце сентября - начале октября и может сохраняется до середины июня .

Продолжительность залегания снежного покрова определяет значение альбедо и радиационного баланса на рассмотренных станциях. Снежный покров обладает большой отражательной способностью - альбедо составляет 80-85%. Альбедо тундровой поверхности после схода снежного покрова - 15-20% .

В период с устойчивым снежным покровом (октябрь-апрель) и в бесснежный период (июль-август) альбедо мало меняется от года к году - разница максимальных и минимальных месячных величин альбедо составляет 5-10%, коэффициент вариации альбедо не превышает 10%. Наибольшие межгодовые изменения альбедо наблюдаются в июне и сентябре. Коэффициент вариации в эти месяцы составляет 30-40%, разница между максимальными и минимальными величинами альбедо достигает 40-50%.

Радиационный баланс.

Радиационный баланс как результирующая величина прихода и расхода радиации, поглощаемой и излучаемой земной поверхностью, является функцией большого комплекса физико-географических и гидрометеорологических факторов, которые в разные сезоны по разному влияют на его величину .

С ноября по февраль - в период полярной ночи и малого поступления суммарной радиации, - радиационный баланс обусловлен только эффективным излучением. В эти месяцы средняя величина радиационного баланса во всех районах Арктики отрицательная. Самые низкие значений в это время наблюдались над водной поверхностью в районах, граничащих с кромкой льда, где наблюдаются большие контрасты между температурой воды и воздуха. Районы Северного Ледовитого океана, не покрытые зимой льдом, теряют радиационного тепла в 2-3 раза больше, чем поверхность суши, покрытая снегом.

В апреле и сентябре, а для наиболее южных районов Арктики и в марте и октябре, радиационный баланс близок к нулю. С мая по август радиационный баланс всегда положителен. Его распределение в этот период обусловлено главным образом изменениями альбедо подстилающей поверхности (от 80 до 10%): наименьшие значения - на ледниках, наибольшие - в районах, свободных от снега и льда.

Годовой радиационный баланс в Арктике имеет большой диапазон изменений: от 500-1000 МДж/м2 на поверхности воды, свободной ото льда в течение всего года, до -100 ( -200 МДж/м2 на ледниках и паковых льдах Арктического бассейна. Нулевая изолония совпадает с границей паковых льдов. Таким образом, отрицательный радиационный баланс поверхности за год обусловлен характером самой поверхности. Наблюдения показали, что при значении среднегодового альбедо более 70% радиационный баланс всегда отрицателен, как бы не был высок приход суммарной радиации. Материалы многолетних наблюдений на дрейфующих станциях показали, что в отдельные годы, когда при интенсивном таянии снега альбедо в июле-августе на отдельных участках снижается до 50%, радиационный баланс за год может оказаться близким к нулю или чуть выше. На ледниках он всегда отрицателен.

Из множества факторов, влияющих на изменчивость радиационного баланса, основным являются облачность, свойства подстилающей поверхности, стратификация атмосферы. В различные сезоны эти факторы играют различную роль в формировании радиационного баланса и его изменчивости. В темное время года значения радиационного баланса зависят от облачности и стратификации атмосферы. Изменчивость оказывается достаточно большой - коэффициент вариации месячных величин составляет 15-20%. В светлое время года, когда радиационный баланс становится положительным, возрастает влияние поглощенной радиации, и изменчивость радиационного баланса определяется изменчивостью. В свою очередь величина поглощенной радиации определяется значениями суммарной радиации и главным образом альбедо подстилающей поверхности.

В течение большей части года лед и снег являются преобладающими видами подстилающей поверхности в Арктике, поэтому продолжительность периода с устойчивым снежным покровом оказывает решающее влияние на величину месячных и годовых значений радиационного баланса. Сход и установление снежного покрова на 1-2 недели раньше или позже среднего срока приводит к изменению альбедо на 15-20%. Поэтому в период схода и установления снежного покрова изменчивость радиационного баланса преимущественно определяется изменчивостью альбедо подстилающей поверхности.

Колебания годовых величин радиационного баланса, естественно, оп- ределяются всеми факторами, влияющими на изменчивость баланса в течение года. Анализ экстремальных величин показал (табл.19), что максимальные годовые величины радиационного баланса в половине всех случаев наб- людаются при повышенной облачности в течение 4-5 зимних месяцев, когда основную роль играет эффективное излучение. Вторая половина всех случаев годового максимума приходится на годы, когда в летние месяцы, в бесснежный период, наблюдалась пониженная облачность, что приводило к возрастанию поглощенной радиации.

Пояснения к таблицам.

Таблица 1. Истинное солнечное время (ч мин) восхода (В) и захода (З) Солнца.

В таблице помещено время восхода и захода Солнца для каждой станции на 15-е число месяца ( в феврале на 14 число) по истинному солнечному времени. За время восхода (захода) Солнца в метеорологии принимаются моменты появления над горизонтом ( исчезновение под горизонтом) верхнего края диска Солнца. По величинам времени восхода и захода Солнца, указанным в таблице 1, можно вычислить продолжительность дня на среднюю дату месяца.

Истинное время восхода и захода Солнца для любой даты месяца может быть получено по таблицам, помещенным, например, в "Руководстве гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям"[6] с введением поправки на уравнение времени", или "Астрономическом ежегоднике".

Таблица 2 Высота Солнца на 15-е число каждого месяца.

В таблице приведена высота Солнца над горизонтом в основные актинометрические сроки (время среднее солнечное) на 15-е число месяца (в феврале на 14-е число). Вычисления произведены по формуле sin h¤ = sin j sin d + cos j cos d cos t
где j широта станции, d - склонение Солнца на 15-е число месяца, t истинное солнечное время.

Таблица 3. Даты начала и конца полярного дня и полярной ночи.

В таблице приведены даты начала и конца полярного дня и полярной ночи, рассчитанные для верхнего края диска Солнца с учетом его угловых размеров и рефракции (h¤ = -50')

Таблица 4. Потоки солнечной радиации (кВт/м2 ) и коэффициент интегральной прозрачности атмосферы при ясном небе.

В таблице помещены средние значения потоков прямой (S, S'), рассеянной (D), суммарной (Q) радиации, радиационного баланса (В) и коэффициента интегральной прозрачности атмосферы (Р2) при определенных условиях облачности и состоянии диска Солнца в актинометрические сроки наблюдений.

Условия следующие: для рассеянной, суммарной радиации и радиационного баланса - общая облачность не более 2 баллов, солнечный диск и околосолнечная зона радиусом 5° свободны от облаков (и следов облаков); для прямой радиации и интегральной прозрачности атмосферы - независимо от количества облаков, но при свободных от облаков и их следов диске Солнца и околосолнечной зоне радиусом 5°. При упомянутых условиях состояние диска Солнца отмечается знаком ¤2.

Средние значения потоков радиации S, D, Q, B вычислены из выборочных измерений при указанных условиях за весь период актинометрических наблюдений на станции. Они представляют собой наиболее высокие значения прямой, суммарной радиации, радиационного баланса при высоте Солнца более 15° и наиболее низкие значения рассеянной радиации.

Прямая радиация S' , поступающая на горизонтальную поверхность, получена как разность средних выборочных значений суммарной и рассеянной радиации: S' = Q - D

Значение Р2 характеризует прозрачность атмосферы для интегрального потока прямой радиации. Оно определено по данным выборочных измерений прямой радиации S при отметке диска Солнца ¤2 , приведенной к высоте Солнца 30( (m=2).

В графе "время" указано время начала наблюдения по среднему солнечному времени.

В период года, когда Солнце бывает не весь месяц над горизонтом, значения радиации, указанные в табл. 4, не являются средними месячными, а относятся только к определенной части месяца. Такие случаи отмечены в таблице 4 знаком (*) .

Данные табл. 4 дают представление об изменении солнечной радиации при средних условиях прозрачности атмосферы от срока к сроку (в среднем). Их можно использовать для построения кривой суточного хода радиации при ясном небе. Также можно оценить приход прямого излучения при ясном небе на наклонную поверхность (склон) Sc по формуле Sc = S(cosi, где i - угол падения солнечных лучей на поверхность склона.

Таблица 5. Потоки солнечной радиации (кВт/м2 ) при средних условиях облачности.

В таблице приведены средние месячные значения потоков прямой (S ,S'), рассеянной (D), суммарной (Q) радиации и радиационного баланса (В) по измерениям в актинометрические сроки. Они получены путем непосредственного подсчета средней многолетней величины из рядов месячных средних в отдельные годы. В графе "время" также, как в табл.4, указано время начала наблюдения в срок по среднему солнечному времени.

Значения потоков радиации, помещенные в табл.5, характерны для средних условий облачности в районе станции. В отдельные годы средняя месячная по срокам величина может отличаться от указанной в таблице 5. Верхним пределом прямой, суммарной радиации и радиационного баланса при средних условиях прозрачности атмосферы являются значения, помещенные в табл.4, то есть при ясном небе.

Прямая радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, определялась как разность суммарной и рассеянной радиации: S' = Q - D

Таблица 6. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2 ) на нормальную к лучу поверхность при ясном небе и интегральная прозрачность атмосферы.

Таблица 7. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2 ) на горизонтальную поверхность при ясном небе.

Таблица 8. Суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м2 ) при ясном небе.

В таблицах 6, 7, 8 представлены величины сумм прямой радиации S и S' и суммарной радиации за час, сутки, месяц и год, при ясном небе, а также средние значения интегральной прозрачности атмосферы по месяцам. Указанные значения радиации характеризуют возможный (максимальный) приход радиации при средней прозрачности атмосферы в районе данной станции.

Часовые и суточные значения сумм радиации получены с использованием графиков суточного хода, построенных по данным табл.4 (наблюдения в сроки). С графика для середины часового интервала снималось значение потока радиации, затем определялись часовые и суточные суммы. Месячные величины вычислялись как произведение суточного значения и числа календарных дней в месяце, годовая - суммированием месячных. Для месяцев, на которые приходится переход от полярной ночи к смене дня и ночи (и наоборот), часовые и суточные суммы радиации определялись на середину светлого периода, месячные суммы вычислялись как произведение полученных суточных сумм на число светлых дней в месяце. Количество светлых дней для каждой станции находилось в соответствии с датами начала и конца полярной ночи и полярного дня, приведенными в табл.3.

Средняя месячная интегральная прозрачность атмосферы вычислена осреднением среднесуточных значений Р2.

По разности сумм суммарной и прямой радиации можно получить суммы рассеянной радиации D = Q - S'. Для большинства месяцев года она будет характеризовать минимальный приход по сравнению с приходом рассеянной радиации при средних условиях облачности.

Средняя многолетняя сумма радиации, вычисленная по срочным наблюдениям при ясном небе с учетом суточного хода, хорошо согласуется с осредненной за большой период суммой в безоблачные дни по самопищущим приборам ( расхождение в пределах 1-2%). Значения 0.00 приведенные в табл. 6-8 означают, что наблюдались величины радиации менее 0.005 МДж/м2 .

Таблица 9. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2 ) на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности.

Таблица 10. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2 ) на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности.

Таблица 11. Суммы рассеянной солнечной радиации (МДж/м2 ) при средних условиях облачности.

Таблица 12. Суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м2 ) и альбедо деятельной поверхности (%) при средних условиях облачности.

Таблица 13. Радиационный баланс деятельной поверхности (МДж/м2 ) при средних условиях облачности.

В таблицах 9-13 помещены средние многолетние значения сумм прямой (S и S' ), рассеянной (D), суммарной (Q) радиации и радиационного баланса (В) за разные интервалы времени - час, сутки, месяц, год, а также среднее месячное и среднее годовое альбедо (A) деятельной поверхности.

При отсутствии самопишущего прибора по какому-либо виду радиации и на станциях, где вообще нет самописцев, перечисленные таблицы составлены на основании графиков многолетнего суточного хода, построенных по данным срочных наблюдений (табл.5).

С графика многолетнего суточного хода радиации для середины каждого часового интервала снималось значение потока радиации, по которому вычислялась часовая сумма радиации, а затем суточная и месячная.

Средняя многолетняя месячная сумма радиации, определенная по срочным наблюдениям графическим способом, удовлетворительно согласуется с данными самопишущих приборов (+ 1-3% в теплый и + 1-6% в холодный период года).

По часовой сумме, выраженной в МДж/м2 , можно получить делением на 3,6 средний часовой поток радиации в кВт/м2 .

Месячная сумма получена умножением суточной суммы на число светлых дней в месяце.

При сравнении данных таблиц 9-11 с величинами таблиц 6-8, характеризующих приход радиации при ясном небе, можно получить представление о степени ослабления радиации облаками в районе данной станции.

По месячной сумме суммарной радиации,радиационного баланса и среднему месячному альбедо можно получить:

  1. Отраженную солнечную радиацию от деятельной поверхности (Rk) из выражения Rk = QxA/100
  2. Баланс коротковолновой радиации (Bk) из выражения Bk = Q(1- A/100) или Bk = Q - Rk
  3. Баланс длинноволновой радиации (Вд) из выражения Вд = В - Q + Rk или Вд = B - Bk

Годовая сумма получена суммированием месячных сумм. Среднее годовое альбедо вычислено как отношение (в %) годовой суммы отраженной радиации к годовой сумме суммарной радиации.

Годовое значение баланса коротковолновой и длинноволновой радиации можно вычислить по формулам, приведенным выше.

Таблица 14. Статистические характеристики коэффициента интегральной прозрачности атмосферы.

Таблица 15. Статистические характеристики прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность.

Таблица 16. Статистические характеристики рассеянной радиации.

Таблица 17. Статистические характеристики суммарной радиации.

Таблица 18. Статистические характеристики альбедо подстилающей поверхности.

Таблица 19. Статистические характеристики радиационного баланса подстилающей поверхности.

В таблицах 14-19 помещены средние многолетние (по 1992 г.), минимальные и максимальные значения, средние квадратические отклонения коэффициента интегральной прозрачности атмосферы (Р2), месячных сумм прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность (S'), месячных сумм рассеянной радиации (D), месячных сумм суммарной радиации (Q), альбедо (А) и радиационный баланс (В) подстилающей поверхности.

Для каждой станции указано количество лет, по которому получены статистические данные.

Для станции Белый Нос расчеты статистических характеристик не производились, из-за короткого ряда наблюдений.

Таблицы по-русскии.

Список литературы.

  1. Атлас энергетического баланса Северной полярной области. С.-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992.-72 с.
  2. Маршунова М.С., Мишин А.А. Мониторинг прозрачности атмосферы в полярных областях. - В кн. Мониторинг климата Арктики. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, с. 132-140.
  3. Маршунова М.С., Радионов В.Ф. Колебания интегральной прозрачности атмосферы в полярных районах. - Метеорология и гидрология, 1988, N 11, с.71-80.
  4. Радионов В.Ф., Маршунова М.С. Уменьшение прозрачности атмосферы в полярных областях (эффект извержение вулканов Пинатубо и Хадсон). - Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана. 1993, т.29, N 4, с. 570-571.
  5. Радионов В.Ф., Маршунова М.С., Русина Е.Н., Лубо-Лесниченко К.Е., Пиманова Ю.Е. Аэрозольная мутность атмосферы в полярных районах. - Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 1994, т.30, N 6, с. 797-801.
  6. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. Л.: Гидрометеоиздат, 1971 - 220 с.
  7. Справочник по климату СССР. Солнечная радиация и радиационный баланс. Вып. 21, 24, 33, Л.: Гидрометеоиздат, 1966-67.
  8. Черниговский Н.Т., Маршунова М.С. Климат Советской Арктики (радиационный режим). - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 198 с.
  9. Янишевский Ю.Д. Актинометрические приборы и методы наблюдений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1957, 415 с.