CC BY
253
построение карт комплексных морфометрических показателей, базисных и остаточных поверхностей, а также других параметров рельефа. В дальнейшем также планируется применить апробированную методику построения моделей к моделированию бассейнов крупных рек Саратовской области.
Библиографический список
1. Погорелое А.В., Салпагаров А.Д., Киселев Е.Н., Куркина Е.В. Геоинформационный метод в практике региональных физико-географических исследований // Тр. / Тебер-динский государственный заповедник. Кисловодск, 2007. Вып. 45. 200 с.
2. Милькое Ф.Н. Бассейн реки как парадинамическая ландшафтная система и вопросы природопользования // География и природные ресурсы. 1981. № 4. С. 11-18.
3. Природа Саратовской области / Под ред. П.С. Кузнецова. Саратов, 1956. 136 с.
4. Проект районной планировки Вольского административного района Саратовской области: В 3 т. Т. 1. Пояснительная записка. Саратов, 1984. 398 с.
5. Энциклопедия Саратовского края (в очерках, фактах, событиях, лицах). Саратов, 2002. 688 с.
6. Maidment D., Djokic D. Hydrologic and Hydraulic Modeling Support with Geographic Information Systems. Redlands, California, 2000. 232 p.
7. Farr T.G., Hensley S., Rodriguez E. at al. The shuttle radar topography mission // CEOS SAR Workshop. Toulouse 26-29 Oct. 1999. Noordwijk, 2000. P. 361-363.
8. ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm/version2/SRTM3
9. Муравьев Л.А. Высотные данные SRTM против топографической съемки // http://geo.web.ru/db/msg. html?mid=1177761
10. Погорелое А.В., Думит Ж.А. Морфометрия рельефа бассейна реки Кубани: некоторые результаты цифрового моделирования // Географические исследования Краснодарского края. Краснодар, 2007. Вып. 2. С. 7-23.
УДК 528.833
АЛЬБЕДО, ПОГЛОЩЕННАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И УХОДЯЩАЯ ДЛИННОВОЛНОВАЯ РАДИАЦИЯ ПО МАТЕРИАЛАМ АТЛАСОВ МАБА США
Ю.А. скляров, н.В. Фомина, А.И. Котума, н.В. семенова
Саратовский государственный университет, кафедра метеорологии и климатологии E-mail: kafmeteo@sgu.ru
Приводятся результаты исследований основных составляющих радиационного баланса Земли (рБЗ) на основе данных наблюдений со спутников Nimbus-6 и Nimbus-7, опубликованных в четырех атласах NASA. изложены результаты анализа широтных распределений альбедо. Предложена методика получения глобальных и полушарных величин альбедо. Показано, что среднеглобальные величины альбедо у иСЗ Nimbus-6 на 5 единиц меньше, чем у иСЗ Nimbus-7 (0,28 и 0,33 соответственно). обсуждены внутригодовые и межгодовые вариации глобальных и полушарных величин альбедо. По разработанной методике получены данные о поглощенной радиации. выполнен анализ данных об уходящей длинноволновой радиации, в том числе по полушариям. Приведена оценка близости к нулю глобального среднегодового рБЗ. Ключевые слова: альбедо, поглощенная радиация, уходящая длинноволновая радиация, радиационный баланс Земли, атласы.
Albedo, Absorbed solar Radiation and outgoing Longwave Radiation Derived from Data of NAsA Atlases Yu.A. sklyarov, N.V. Fomina, A.I. Kotuma, N.V. semenova
The results of investigation of main Earth radiation budget (ERB) components derived from the measurement on the Nimbus-6 and Nimbus-7 satellites and published in four NASA atlases are given. The data of latitudinal albedo distribution are described. The methodic for receiving of global and hemisphere values of albedo is proposed. It
is showed that global averaged albedo values from Nimbus-6 satellite are less than from Nimbus-7 at 5 albedo units (0,28 and 0,33 correspondingly).
The annual variations of global and hemispherical albedo values are discussed. The absorbed radiation data were received and peculiarities of their variation are given. Analysis of data about outgoing longwave radiation was fulfilled. Evaluation of proximity to zero of global annually averaged ERB was made.
Key words: albedo, absorbed solar radiation, outgoing longwave radiation, Earth radiation budget, atlases.
В Саратовском государственном университете несколько десятилетий ведутся работы по исследованию компонентов радиационного баланса Земли (РБЗ). Разработанная аппаратура для измерений уходящей коротковолновой радиации (УКР) и солнечной постоянной (главный конструктор профессор Ю.А. Скляров) работала на высотных аэростатах [1], на трех ИСЗ, в том числе на двух в совместных российско-французских проектах [2, 3]. Получен большой объем данных. Практически завершена обработка наблюдений с ИСЗ «Метеор-3» № 7 и «Ресурс-01» № 4. Завершается подготовка материалов атласа наблюдений УКР, альбедо и поглощенной солнечной радиации по материалам наблюдений с ИСЗ «Ресурс-01» № 4 (получено более 86 000 наблюдений). Рассмотрены вопросы построения карт распределений, получения среднесуточных величин альбедо, наблюдаемости поверхности Земли с гелиосин-хронных ИСЗ [4-6]. Завершено изготовление
© Ю.А. Скляров, Н.В. Фомина, А.И. Котума, Н.В. Семенова, 2009
модернизированных радиометров для установки на перспективные ИСЗ «Метеор-М» (ориентировочный срок старта - первая половина 2009 г.) и на геостационарный ИСЗ «Электро-Л». В 2007 г. на указанные работы Саратовским государственным университетом получена лицензия на право ведения космической деятельности.
В такой ситуации большой интерес представляет анализ материалов атласов NASA, изданных по результатам наблюдений с американских спутников «№тЬ^-6» и «№тЬш-7». На этих ИСЗ работали широко- и среднеугольные радиометры. Орбиты гелиосинхронные имеют параметры, близкие к параметрам орбиты российского ИСЗ «Ресурс-01» № 4, поэтому можно сравнивать результаты наблюдений с нашим радиометром ИКОР. Всего в нашем распоряжении оказалось 4 атласа, которые были переданы Ю.А. Склярову ведущим специалистом NASA Д.Л. Смитом. В пояснительных текстах авторы атласов отмечали, что материалы атласов дают большие возможности для целого ряда исследований, в чем мы убедились в процессе анализа материалов атласов. Ниже будут изложены основные результаты проделанной работы.
Следует отметить необычную структуру подачи материалов атласов. Два атласа альбедо и поглощенной солнечной радиации [7, 8] представляют собой в основном карты глобальных распределений обоих параметров. Кроме того, в каждом атласе приведены сводные таблицы среднемесячных альбедо для широтных зон с шагом 5° по широте. Эти данные позволили нам выполнить обширные исследования, касающиеся как альбедо, так и поглощенной солнечной радиации.
Вместе с тем атласы уходящей длинноволновой радиации (УДР) также представляют карты глобальных распределений УДР на каждый месяц [9, 10]. Эти данные сопровождаются таблицами
сферических гармонических коэффициентов разложения на каждый месяц. Из всех коэффициентов три имеют физический смысл: глобальное среднемесячное значение УДР, разность среднеглобальных величин УДР Северного и Южного полушарий (Северное минус Южное) и градиент у экватора распределения УДР (экватор - полюс). Эти данные также широко использовались для различных исследований. Ценность полученных выводов в том, что они опираются на реальные величины измерений с двух успешных спутниковых проектов, составивших вместе длительный ряд компонентов РБЗ. Это и дало возможность проследить за многолетними вариациями соответствующих величин. Конечно, одной из важнейших задач данного исследования явилась возможность проверки на материалах измерений условия равенства нулю РБЗ на верхней границе атмосферы (ВГА). Однако, все по порядку.
широтное распределение альбедо
Имеющиеся у нас атласы альбедо и поглощенной радиации представляют данные за
1975-78 гг. (спутник №тЬш-6) и 1985-1986 гг. (спутник №тЬш-7). По таблицам среднемесячных величин альбедо для облегчения анализа строились графики распределений за соответствующий месяц. Графики широтных распределений среднемесячных величин альбедо за 1976 и
1986 гг. приведены на рис. 1 и 2. Графики даны для наиболее характерных месяцев - марта, июня, сентября и декабря. За все остальные годы распределения похожи на приведенные и отличаются в незначительных деталях.
Отметим основные особенности:
- с увеличением широты в обоих полушариях альбедо растут, что отражает сезонные особенности и соответствует увеличению зенитного угла Солнца;
• Сентябрь — “Декабрь • Март • • ’Июнь Рис. 1. Широтное распределение среднемесячных значений альбедо в 1976 г.
Широта
=^= { ^пнйрь — “Дскамр!, \Lipi = = = Пюи. Шир^Ча
Рис. 2. Широтное распределение среднемесячных значений альбедо в 1986 г.
- в тропических широтах (грубо от -25 до +25°) в любой сезон величины альбедо минимальны, имеют небольшой разброс и группируются около 0,20 для ИСЗ №тЬш-6 и около 0,25 для ИСЗ №тЬш-7. Это указывает на незначительные изменения количества облачности в среднемесячных значениях в экваториальной зоне;
- на всех графиках отчетливо прослеживается небольшой максимум альбедо в зоне +5°...+20° в июне и сентябре, минимум в марте и частично в декабре. Аналогично наблюдается вторичный максимум в зоне -5°. -15° в декабре-марте. Такие изменения обычно связывают с облачностью внутритропической зоны конвергенции (ВЗК);
- во все годы и сезоны величины альбедо над Антарктидой (-75°. -90°) выше, чем соответствующие величины в северных полярных широтах;
- в Северном полушарии (СП) величины альбедо в зимне-весенний период (декабрь-март) и летне-осенний (июнь-сентябрь) различаются значительно больше, чем соответствующие по сезону величины в Южном полушарии. Очевидно, что это следствие различия в характере поверхности (материки и океаны). Наступление и сход снежного покрова в СП вносят большой вклад в эту разницу;
- абсолютно наибольшие величины зонального альбедо отмечены на широтах 80° и 85° Южного полушария (ЮП), где они составляют 0,87 и 0,89, что существенно выше величин альбедо, принятых в моделях США [11], см. также в [1, 5].
расчет глобальных величин альбедо и их вариации
Глобальное альбедо играет важную климатообразующую роль, так как эта величина определяет приходную часть радиационного баланса Земли.
Если известно глобальное альбедо (агл), то тем самым известна поглощаемая Землей солнечная радиация (приходная часть), доля которой равна (1-агл) от приходящей на всю земную поверхность солнечной радиации в расчете на 1 м2. Для лучистого обмена Земли с космосом оцениваются потоки на верхней границе атмосферы (ВГА). В качестве ВГА была принята поверхность сферы с высотой 30 км над поверхностью Земли. Измерения показали, что с высот, больших 30 км, практически нет нисходящих, генерируемых атмосферой лучистых потоков. На ВГА сравниваются приходящие коротковолновые потоки (лучистая энергия Солнца) и уходящая длинноволновая радиация (УДР) как компоненты РБЗ. Принято считать, что в среднем за год Земля находится в состоянии лучистого равновесия, т.е. глобальный радиационный баланс на ВГА за год равен нулю. Для проверки этого положения необходимо знать глобальную среднегодовую поглощенную радиацию, а для ее расчетов требуется знание глобальных среднегодовых величин альбедо. В атласах в виде таблиц приведены данные о зональных среднемесячных величинах альбедо. По этим данным можно получить глобальные величины, а также рассчитать среднемесячные и среднегодовые значения для Северного и Южного полушарий. Нами предложен следующий метод решения такой задачи.
Часть земного шара с необходимыми линиями и углами, где Rвга- радиус Земли на уровне верхней границы атмосферы, 0 - полярное расстояние площадки = dxdy, X - долгота площад-
ки, т( - радиус верхней границы широтной зоны, ширина которой по широте Д0;- равна 5°, как и в таблицах атласов, изображена на рис. 3.
Для того чтобы найти телесный угол широтной зоны, необходимо провести следующие расчеты:
dw = dx ■ dy;
Рп
dx = rtd X;
Гі = RBrA sin 0і
dx = rtdX = RBrA sin 0tdX,
Тогда
a dy = RBrA d 0 в единицах площади
dw = dx ■ dy = RBrA sin0id 0d X.
Величина dw в единицах телесного угла da равна
da = —- = sin 0 d0dX.
R i
Интегрируя это выражение по рассматриваемой зоне, получим телесный угол i-й зоны:
2п 0,+5- 0,+5-
ai = J I sin0d0dX=2n J sin0d0 =
=2n(-cos0)
(1)
= 2n(-cos 0 ,o +
4 i+5
+ cos 0i) = 2n(cos 0 - cos 0 +5.),
где 0i - отсчитывается от северного полюса Земли, при этом 0;. - кратно 5°, т.е. 0;. = 0°; 5°; 10°...85° для Северного полушария и 0;. = 0°; 5°; 10°.. .175° для Земли в целом.
Очевидно, полученные величины aявляются весовыми коэффициентами для расчетов альбедо, так что
0j =175
а
гё 4п
бедо,
1 і
=— У га.а. - для глобального аль-
4п ^ і і
0j =0o
0=85 1 1
а
Wra 2n
шария.
= — У га. а. - для Северного полу-
^ 11
(2)
0j =0o
а
®іаі - для Южного полу-
0.=175 і 1
= — У
5їл 2п ^
0І =90° шария.
Зональные значения аі выбираются из среднемесячных величин альбедо соответствующих широтных зон таблиц атласов.
Полученные глобальные среднемесячные значения по полушариям и по земному шару в целом, а также среднегодовые глобальные значения альбедо представленої в таблице.
По данным таблицы были построены графики внутригодовой изменчивости глобального альбедо. За период наблюдений с 1975 по 1978 г. с ИСЗ «№тЬиБ-6» были построены графики внутригодовой изменчивости альбедо для 1977 г. (рис. 4), так как за этот год имеется полный ряд наблюдений. В 1975 и в 1978 гг. ряд наблюдений составил всего 6 и 5 месяцев соответственно. Построить графики внутригодовой изменчивости невозможно.
За период работы ИСЗ «№тЬш-7» ряд наблюдений составил в 1985 г. 2 месяца - ноябрь и декабрь. В 1986 г. ИСЗ имел перебои в работе оборудования, данные за апрель, май, июнь отсутствуют. За 1987 г. данные есть с января по октябрь. Чтобы проследить глобальный ход ве-
0
і+5
0
Глобальное распределение альбедо
Месяц 1976 1977 1987
СП ЮП Глобал. СП ЮП Глобал. СП ЮП Глобал.
Январь 0,2962 0,2726 0,2844 0,3112 0,2714 0,2913 0,3437 0,3229 0,3333
Февраль 0,2989 0,2790 0,2889 0,2914 0,2749 0,2831 0,3466 0,3336 0,3401
Март 0,3225 0,2679 0,2952 0,3019 0,2830 0,2925 0,3605 0,3338 0,3472
Апрель 0,2920 0,2821 0,2870 0,2875 0,2812 0,2843 0,3382 0,3433 0,3408
Май 0,2842 0,2645 0,2743 0,2752 0,2630 0,2691 0,3321 0,3134 0,3228
Июнь 0,2744 0,2495 0,2620 0,2684 0,2498 0,2591 0,3259 0,2974 0,3117
Июль 0,2678 0,2583 0,2630 0,2626 0,2533 0,2579 0,3161 0,3173 0,3167
Август 0,2596 0,2843 0,2720 0,2582 0,2745 0,2663 0,3155 0,3340 0,3247
Сентябрь 0,2698 0,2959 0,2829 0,2716 0,2875 0,2795 0,3231 0,3412 0,3321
Октябрь 0,2906 0,2909 0,2908 0,2904 0,2890 0,2897 0,3344 0,3487 0,3415
Ноябрь 0,3018 0,2801 0,2909 0,2925 0,2847 0,2886 0,3395 0,3351 0,3373
Декабрь 0,2925 0,2718 0,2822 0,2878 0,2772 0,2825 0,3020 0,3339 0,3180
Среднее за год 0,2875 0,2747 0,2811 0,2832 0,2741 0,2787 0,3315 0,3296 0,3305
0,325
0,300
0,250
0,225
Месяцы
Л
&
I
©
Л
5
6 <
Н
О
&
и
<
Л
а
ю
ё
о
и
л
а
ю
I
о
л
Л
ю
«
о
к
Л
Л
ю
§
и
—5— Сев. полушарие —® - Южн. полушарие - Глобальное
Рис. 4. Внутригодовая изменчивость глобального альбедо ИСЗ «№тЬш-6» 1977 г.
личин альбедо вначале был построен график за 1987 год. Учитывая, что данные в ноябре-декабре
1985 и 1986 гг. практически одинаковы (разница не более тысячной доли), мы добавили к 1987 г. данные за ноябрь-декабрь (рис. 5).
Анализ графиков вариаций альбедо (см. рис. 4 и 5) показывает следующее.
1. На всех рисунках глобальное альбедо имеет практически правильный полугодовой ход: минимальное значение в январе, максимальное в марте, снова минимум в июне, затем подъем до сентября-октября и минимум в декабре.
По полушариям картина иная. Почти точный полугодовой ход в Южном полушарии с достаточно хорошей привязкой к ключевым датам - равноденствиям и солнцестояниям - и значительная асимметрия в Северном полушарии. Так, фаза уменьшения глобального альбедо в СП длится 6 месяцев (март-август), что приводит к тому, что на вторичный максимум (ноябрь) и минимум (декабрь-январь) в сумме также приходится 6 ме-
сяцев. Такое распределение глобального альбедо объясняется значительной разницей в характере подстилающей поверхности СП и ЮП - преимущественно материковая поверхность в СП и преимущественно открытый океан в ЮП.
Например, абсолютный минимум глобального альбедо в июне месяце, по-видимому, есть следствие сложения условий инсоляции и особенностей поверхности (рис. 6). В СП самый длинный день 22 июня. За полярным кругом - полярный день. Солнце имеет склонение +23°27'. Зенитные углы Солнца в СП в средних широтах малы, что в соответствии с моделями альбедо дает небольшие его величины. Снежный покров сошел, кроме зоны полярных льдов, и альбедо почвы низкое. В ЮП вся Антарктида в зоне полярной ночи, а океан имеет низкие альбедо вплоть до бинов 7-8 [5, 11] (ЗУС =68-75°). Аналогично можно объяснить и другие ситуации.
Например, после быстрого роста альбедо с августа по ноябрь в СП к марту альбедо достигает
—*— Сев. полушарие —* - Юж. полушарие -----Глобальное
Рис. 5. Внутригодовая изменчивость глобального альбедо ИСЗ «№тЬш-7» 1987 г
Рис. 6. Условия облучения земного шара в июне
максимума. Затем таяние, сход снежного покрова, быстрое уменьшение альбедо, которое носит затяжной характер в СП до августа включительно. В общем вариации глобального и полушарных альбедо объясняются вполне логично.
2. Нельзя не заметить значительной разницы в величинах глобального альбедо между данными от ИСЗ «№тЬш-6» и «№тЬш-7». Среднегодовые величины глобальных альбедо между этими спутниками отличаются практически точно на 5 единиц альбедо: 0,281 для «№тЬ^-6» и 0,330 для «№тЬш-7», хотя среднегодовые величины для каждого спутника очень близки. Разница в глобальных величинах Дагл = 0,05 существенно превышает погрешности определения глобальных альбедо. По-видимому, величины в рядах ИСЗ «№тЬш-6» занижены на 5 единиц. Заметим, что авторы атласов отмечали, что в целом получен практически непрерывный ряд наблюдений двух
спутников. Однако наш анализ показывает, что считать этот сводный ряд однородным невозможно, имеется систематическая разница в данных. Об этом же говорит простой взгляд на графики широтных распределений среднемесячных альбедо (см. рис. 1 и 2). Сразу бросается в глаза разница в величинах альбедо тропической зоны -20°...+20°. Все кривые на рис. 1 группируются около значения 0,20, а на рис. 2 - около значения 0,25. Это надо учитывать. Мы еще вернемся к данной разнице при оценке радиационного баланса Земли.
Расчет приходящей и поглощенной радиации
Одной из задач, которая ставилась при анализе атласов США, было оценить, насколько выполняется близость к «нулю» среднегодового среднеглобального значения радиационного
баланса Земли (РБЗ). По построению атласов в нашем распоряжении имелись данные об альбедо в виде зональных среднемесячных значений для широтных зон с шагом в 5°, поглощенная радиация не давалась в виде аналогичных данных, а была представлена изолиниями на картах распределения поглощенной солнечной радиации.
Вместе с тем данные об уходящей длинноволновой радиации (УДР), которая представляет собой расходную часть уравнения радиационного баланса на ВГА, давались в виде таблиц коэффициентов разложения по сферическим гармоникам, в которых нулевой член как по столбцам, так и по строкам представлял собой среднемесячное среднеглобальное значение УДР.
Для того чтобы сравнить поглощенную солнечную радиацию и УДР, т.е. оценить среднегодовой среднеглобальный баланс, нужно было бы рассчитать годовые величины глобальных значений как поглощенной солнечной радиации, так и УДР Если в отношении УДР эта задача решалась элементарно, путем суммирования среднемесячных и получения среднеглобальных годовых значений, то для получения приходящей составляющей, т.е. поглощенной солнечной радиации, задача оказалась сложнее.
При этом надо было решить один принципиальный вопрос: каким методом получать среднегодовые среднеглобальные величины поглощенной радиации. Один из способов описан в литературе [12] и широко используется для таких оценок. Вводится понятие о радиационном воздействии (РВ) прямой солнечной радиации в целом для ВГА Земли. Если £0 - солнечная постоянная (СП), то среднегодовое радиационное воздействие этого источника Ь0= Е0-0,25-0,7, где 0,25 - коэффициент, учитывающий геометрический фактор (отношение площади сечения Земли, воспринимающей поток, к площади поверхности Земли), 0,7 - коэффициент поглощения при принятом современном значении альбедо Земли 0,3. Таким образом, РВ солнечного излучения при величине Е0=1367 Вт/м2 равно Ь0= 239,2 Вт/м2.
Если следовать этой методике, то выражение для РВ Солнца надо записать таким образом:
Ь0 = Е0 ■0,25•(1 -агл),
где агл - реальное глобальное альбедо нашей планеты в рассматриваемый период времени.
Таким образом, получив конкретное значение агл, можно рассчитать величину поглощенной солнечной радиации для рассматриваемого периода (среднемесячную, среднегодовую). Очевидно, что она равна соответствующему Ь^. Однако этот метод имеет существенный, принципиальный недостаток.
Получается, что реальное воздействие прямой солнечной радиации на ВГА подменяется воздействием несуществующего в природе равномерно распределенного источника излучения со средней плотностью потока равной 0,25 от величины
солнечной постоянной (для исключения влияния годовых изменений расстояния Солнце-Земля рассматривается среднегодовая величина солнечной радиации, т.е. солнечная постоянная).
Однако еще раз отметим, что реально существует единственный источник прямой солнечной радиации. Речь должна идти не о воображаемом среднеглобальном значении радиации, равномерно падающей на всю поверхность ВГА, а о фактически имеющемся широтном и долготном распределении солнечного излучения по освещенной поверхности планеты. На самом деле, в любой момент на ВГА имеются всевозможные величины солнечных зенитных углов от 0 для площадки в подсолнечной точке до 90° на всей линии терминатора. А зависимость локальных альбедо от зенитного угла Солнца велика [1, 5].
Очевидно, что для расчетов величин поглощенной солнечной радиации необходимо использовать реальные значения приходящей солнечной радиации для каждой широты и использовать их для имеющихся в атласах среднемесячных величин альбедо 5° широтных зон. Для этих целей можно использовать формулу Миланковича, применяемую для расчета прихода сумм прямой солнечной радиации для любой широты от восхода до захода.
Поглощенная солнечная радиация является приходной частью РБЗ. Для получения ее среднесуточных значений для какой-либо площадки необходимо знать среднесуточные_величины приходящего солнечного излучения E [Вт/м2] и среднесуточные величины альбедо этой же площадки а. Тогда суточное среднее поглощаемой радиации Q можно выразить как
Q = E (1 -а). (3)
Величину E можно получить, пользуясь формулой Миланковича, в виде, подходящем для расчетов среднесуточных величин E :
_ e
E = —^(ts sinфsin5 + cosфcos5sin ts), (4)
r П
где Ео - величина солнечной постоянной; ts -выраженный в радианах часовой угол Солнца в моменты восхода, либо захода; r - текущее расстояние Земля-Солнце в астрономических единицах; ф - широта места; 5 - склонение Солнца. Для ВГА (нет рефракции) величина ts находится из известного соотношения:
cos ts =^ф- tg5. (5)
Следует отметить, что поскольку в течение суток расстояние г меняется незначительно, то можно при расчетах Е=Е0/г2 пользоваться единым значением г для текущих суток.
Для получения среднемесячных значений поглощенной радиации в формулу (3) нужно подставить среднемесячные значения приходящей радиации на ВГА и альбедо. Среднемесячные зональные значения альбедо имеются в атла-
сах, а для получения среднемесячных значении приходящего солнечного излучения в формулу Миланковича (4) для каждоИ широты ф можно подставить среднемесячные значения склонения Солнца 8 и среднемесячное расстояние Земли от Солнца г. ЧасовоИ угол ts также рассчитывается по формуле (5), в которую для каждоИ широты ф нужно подставить среднемесячные значения склонения Солнца 8. По этоИ методике рассчитывались среднемесячные величины поглощенноИ солнечноИ радиации.
В работе была рассчитана приходящая солнечная радиация двумя методами: 1) по формуле Миланковича, подставляя в формулу значения широты для верхнеИ и нижнеИ параллелеИ (границ зон), и взято их среднее; 2) по формуле Миланковича со средним значением широты данноИ зоны.
Приходящая радиация, рассчитанная по широтам границ зон, отличается от величин приходящеИ радиации, рассчитанноИ по средним значениям широты, не более чем на 0,1%. Поэтому в своих дальнеИших расчетах будем использовать данные, рассчитанные по средним значениям широты.
Кривые среднемесячноИ приходящеИ радиации для месяцев март и сентябрь симметричны относительно экватора, с минимумом у полюсов и максимумом на экваторе (рис. 7). Однако в летних полушариях максимальные значения приходятся не на экватор, а на полюса. Это объясняется тем,
что, несмотря на небольшую высоту Солнца в высоких широтах, продолжительность светового дня летом (июнь или декабрь) равна 24 часам, наблюдается полярныИ день. Поэтому среднесуточные и среднемесячные значения приходящеИ солнечноИ радиации на полюсе в данныИ период будут выше, чем на экваторе.
Для дальнеИшеИ оценки составляющих РБЗ были построены графики широтного распределения среднемесячных значениИ поглощенноИ радиации для 1976, 1977, 1986, 1987 гг. по данным, рассчитанным по средним значениям широты. В качестве примера приведен график поглощенноИ радиации для 1987 г. (рис. 8).
Кривые поглощенноИ солнечноИ радиации для марта и сентября, как и теоретически рассчитанные, практически симметричны относительно экватора, с максимумом у экватора и минимумами у полюсов. В полном соответствии с широтным ходом альбедо (см. рис. 1 и 2) теперь в Южном полушарии значения марта выше значениИ сентября, а в Северном полушарии, наоборот, значения сентября выше значениИ марта. Аналогично, кривые поглощенноИ радиации отражают перемещения облачности ВЗК в диапазоне 0°.. .+15°. Интересно, что во все годы абсолютныИ максимум поглощен-ноИ радиации отмечается в декабре месяце на широтах -20°.. - 40°, где он достигает 410-420 Вт/м2 в 1976-77 гг. и 370-380 Вт/м2 в 1986-87 гг. Анало-гичныИ более слабыИ максимум в июне в средних
-Март
- Сентябрь
Декабрь
Рис. 7. Кривые распределения среднемесячной приходящей солнечной радиации
400
350
300
250
200
150
& "С-
50-
\ \ 1 / / /
/ / ^ % ч N /* \
/ ^ У / /У / І /
—- 7 / і /У 7 \ \ \ \ \ ч \ \
I ,'/ / \ \\
\ ! // / 4 N4 4 ч\
^ /7 / N. \Ч
чЛч Широта
•Л «Л
сі гТ
іл ІЛ ІЛ ІЛ
~ * N N
СЧ —I
іл ^ т! іл Ті Ті •/">
• • Март ---Июнь * Сентябрь — — Декабрь
Рис. 8. Кривые распределения среднемесячной поглощенной солнечной радиации за 1987 г.
широтах +15°...+35° не превышает 370 Вт/м2 в
1976-77 гг. и 350 Вт/м2 в 1987 г.
Иными словами, прослеживается та же разница между показаниями от двух ИСЗ. Только теперь данные ряды от «№тЬш-6» больше, чем от «№тЬш-7», что и должно быть из-за различия в величинах альбедо. Минимум поглощенной солнечной радиации приходится на околополярные широты, где значение альбедо максимально.
Для оценки вариаций глобальных величин поглощенной солнечной радиации, а также ее полушарных значений можно применить аналогичную методику, как и в случае с расчетами глобальных и полушарных величин альбедо. Используя те же значения среднемесячных величин зональных альбедо, можно записать следующие очевидные соотношения:
0,.=175°
1
О =— V га Е (1 -а ) - для глобального ^гл 4П І І І
0І =0
значения поглощенной радиации,
0=85°
1 і
°ЫГё = ~ї~ V гаІ ЕІ (1 - аІ) - для Северного
2п
полушария
0І =0°
0=175
і і
О„ =— V ю Е.(1 -а )
^ГЛ 2п І І І
а.) - для Южного
0І =90°
полушария.
Здесь обозначения те же, что и в (2), а Е
- зональные величины приходящей радиации. Результаты расчетов были сведены в итоговую
таблицу. На основании этой таблицы были построены соответствующие графики (рис. 9), на которых показан внутригодовой ход глобальных значений поглощенной радиации, а также отдельно для Северного и Южного полушарий. В качестве примера взят 1987 год.
Глобальное значение поглощенной радиации в течение года меняется не очень сильно, что видно из рис. 9. Имеется два небольших максимума в марте и сентябре и минимум в июне-июле. На глобальное распределение поглощенной радиации большое влияние оказывают полушарные распределения. В Северном полушарии минимум значений приходится на зимние месяцы (декабрь-январь), а максимум - на летние (июнь-июль). В Южном полушарии также минимум значений приходится на зимние месяцы (июнь-июль), а максимум - на летние (декабрь-январь). Причем в Южном полушарии значение максимума больше, чем в Северном полушарии, а минимума меньше.
Уходящая длинноволновая радиация и ее вариации
Атласы УДР за 1979-1984 гг. [9] и 19851987 гг. [10] содержат карты глобального распределения УДР и таблицы сферических, гармонических коэффициентов на каждый месяц, кроме мая 1986 г. и октября, декабря 1987 г. В таблицах в нулевом столбце нулевой член дает среднеглобальные среднемесячные значения УДР (Вт/м2), 1-й - разность среднеполушарных значений УДР (Вт/м2), а 2-й - градиент экватор
- полюс (Вт/м2).
Непосредственно по среднеглобальным среднемесячным значениям УДР были построены графики внутригодовой вариации УДР (рис. 10). Данные приведены через год.
Рис. 9. Графики внутригодового хода среднемесячной поглощенной радиации за 1987 г.
Рис. 10. Графики внутригодовой вариации УДР за 1979-1987 гг.
Из графиков (см. рис. 10) видно, что в холодное полугодие (ноябрь, декабрь, январь, февраль, март) наблюдаются минимальные среднеглобальные значения УДР около 232 Вт/м2. Максимальные величины около 238 Вт/м2 наблюдаются в июне
- августе. Это можно объяснить преобладанием материков в Северном полушарии, более нагретых летом, и преобладанием океанов в Южном полушарии.
Необычный ход УДР в 1983 г., возможно, объясняется развитием именно в этом году весьма масштабного явления Эль-Ниньо, что авторы атласов специально отмечали в тексте пояснений к ним.
Стоит отметить, что на этих графиках (см. рис. 10) вначале прослеживается тенденция к
уменьшению количества УДР (1979-83 гг.). Затем эта тенденция сошла на нет. Заметен также значительный разброс данных в феврале-марте месяцах.
Для того чтобы проследить межгодовую вариацию среднеглобальных значений УДР, были найдены средние годовые значения УДР за весь период наблюдений. Максимум среднеглобального УДР отмечается в 1980 г. со значением 234,53 Вт/м2, затем значения плавно снижаются до минимума 232,21 Вт/м2 в 1985 г. В 1986 и 1987 гг. происходит незначительный рост УДР до значения 232,8 Вт/м2.
По имеющимся данным в атласах можно проследить внутригодовой ход разности среднеполушарных значений УДР (СП-ЮП). Максимальная
разность УДР между полушариями достигает +15,58 Вт/м2 в июле 1979 г. (лето в Северном полушарии) и минимальная разность УДР - около 10 Вт/м2 в январе 1979-1982 гг. (лето в Южном полушарии). Знак минус означает, что в указанный период УДР ЮП превосходит УДР СП.
Среднегодовые величины разности среднеполушарных значений УДР за весь период 1978-
1987 гг. испытывают незначительные вариации в пределах всего около 2 Вт/м2, оставаясь все время положительными. Это говорит о том, что среднегодовые среднеглобальные величины УДР СП всегда больше, чем у ЮП.
Одной из важных задач настоящего исследования было оценить вклад в УДР каждого из полушарий в отдельности. Эту задачу можно решить, используя имеющиеся в атласах данные о среднемесячных глобальных величинах УДР и о разности среднемесячных полушарных значений (УДР Северного минус УДР Южного полушарий). Мы применили следующую методику. Напишем формулу сохранения энергии:
4пЯЕ Ьср = 2%ЯЕ Ьы + 2%ЯЕ Ь8,
где ЯЕ - радиус Земли; Ьср - среднемесячное глобальное значение УДР; Ьы - среднемесячное значение УДР Северного полушария; Ь8 - среднемесячное значение УДР Южного полушария. Тогда
2ЬСР = ЬN + Ь8 . (6)
Обозначим через АЬ разность УДР Северного и Южного полушарий, имеющуюся в атласах:
АЬ = ЬЫ - Ь8 . (7)
Из уравнений (6) и (7) получаем
= 2ЬСр — Ь8 и = АЬ + .
АЬ
Отсюда выразим Ь8: Ь8 = Ьср ——.
По этим формулам рассчитываются значения УДР для Северного и Южного полушарий. По полученным значениям УДР были построены графики изменений полушарных значений УДР (рис. 11). Данные внутригодовых вариаций через год приведены на рис. 11, что не меняет выводов.
Анализ рис. 11 позволяет сделать ряд заключений:
- амплитуда изменений УДР в СП значительно больше, чем ЮП. В Северном она достигает 16-17 Вт/м2, а в Южном - около 6 Вт/м2. Очевидно, это следствие различия в поверхностях полушарий. На материках СП большую роль играют наступление и сход снежного покрова, чего нет в ЮП. Поверхность суши быстрее и сильнее прогревается, чем океан;
- отчетливо видно, что максимум УДР в СП приходится не на июнь, а на июль-август месяцы. Этот сдвиг почти в точности отражает поведение глобального альбедо СП (см. рис. 4 и 5), уменьшение которого в СП продолжается до августа месяца. А уменьшение альбедо приводит к росту поглощенной радиации и, соответственно, к росту УДР;
- так же отчетливо прослеживается снижение в СП уровня УДР с 247 Вт/м2 в 1979 г. до 242 и менее Вт/м2 в 1986-87 гг. При этом в ЮП уровень УДР практически остается одинаковым.
-----Ьп 1979 —-— Ьп 1981 —г— Ьп 1983 • Ьп 1985 Ьп 1987
-----и 1979 —> 1981 —— и 1983 ------и 1985 Ls 1987
Рис. 11. Графики изменений полушарных значений УДР.
Таким образом, отмеченная ранее тенденция к снижению глобального значения УДР вызывается изменениями в СП;
- в обоих полушариях проявилось крупное изменение УДР в октябре 1983 г. Это свидетельствует о том, что масштабы явления Эль-Ниньо 1983-84 гг. таковы, что затронули оба полушария одновременно.
радиационный баланс Земли по материалам атласов
После завершения всех изложенных выше исследований можно оценить выполнение условия равенства нулю среднеглобального среднегодового радиационного баланса Земли на ВГА. К сожалению, выбор данных весьма ограничен. Для спутника «№тЬиБ-6» есть данные об альбедо, по которым можно рассчитать поглощенную радиацию, но нет данных об УДР. Для ИСЗ «№тЬ^-7» также есть данные об альбедо, но данные об УДР имеются за другой период. Есть всего два года, где имеются парные данные:
1986 и 1987 годы. Однако в 1986 г. нет данных за май месяц, а в 1987 г. за 2 месяца - ноябрь и декабрь. Но за 2 предыдущих года показания за эти месяцы были одинаковы с точностью менее 0,1%. Поэтому можно их использовать. С такими замечаниями результаты выглядят следующим образом.
Среднегодовое значение поглощенной радиации методом «свертки» (с формулой Миланковича) получается больше, чем методом радиационного воздействия на 7 Вт/м2. В 1987 г. УДР по данным атласа в среднем за год составляет 232,48 Вт/м2, а рассчитанное значение методом «свертки» поглощенной радиации - 236,2 Вт/м2. Разница всего 1,5%. С правдоподобными коррекциями в 1986 г. величина разницы тоже близка к этому. Можно считать, что для ИСЗ «№тЬш-7» РБЗ за эти годы близок к нулю.
А для ИСЗ «№тЬш-6» картина иная. УДР с течением времени изменялась незначительно. Но при любой возможной экстраполяции на 1975-77 гг. УДР оказывалась меньше поглощенной радиации на 6-8%. По-видимому, это следствие отмеченного ранее различия в альбедо по данным «№тЬш-6» (меньше на 5 единиц, чем у «№тЬш-7»).
Библиографический список
1. Скляров ЮА., Бричков Ю.И., Воробьев ВА. и др. Аэростатные измерения уходящей коротковолновой радиации // Исследование Земли из космоса. 1994. № 1. С. 11-20.
2. Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Воробьев В.А., Коту-ма А.И. Измерения уходящего коротковолнового излучения и альбедо радиометром ИКОР с ИСЗ «Метеор-3» № 7 // Там же. 1999. № 2. С. 15-26.
3. Семенова Н.В. Уходящая коротковолновая радиация и альбедо на верхней границе атмосферы по наблюдениям с гелиосинхронного ИСЗ «Ресурс-01» № 4: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. М., 2003. 27 с.
4. Скляров Ю.А., Котума А.И. Семенова Н.В. и др. О построении карт глобального распределения альбедо по наблюдениям радиометра ИКОР с гелиосинхронного ИСЗ «Ресурс-01»№ 4 // Исследование Земли из космоса. 2003. № 3. С. 14-21.
5. Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В. и др. Определение среднесуточных величин альбедо с использованием спутниковых направленных моделей // Там же. 2005. № 3. С. 13-21.
6. Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В. и др. Оценка наблюдаемости земной поверхности для надирных радио-меторв с различных ИСЗ // Там же. 2006. № 2, С. 1-8.
7. Smith G.L., Rutan D., Bess T.D. Atlas of albedo and absorbed solar radiation derived from Nimbus 6 Earth radiation budget data set - July 1975 to May 1978. NASA Ref. Publ.
- 1230. Washington, 1990. 86 р.
8. Smith G.L., Rutan D., Bess T.D. Atlas of albedo and absorbed solar radiation derived from Nimbus 7 Earth radiation budget data set - November 1985 to October 1987. NASA Ref. Publ. - 1281. Washington, 1992. 55 р.
9. Bess T.D., Smith G.L. Atlas of wide-field-of-view outgoing longwave radiation derived from Nimbus 7 Earth radiation budget data set - November 1978 to October 1985. NASA Ref. Publ.- 1186. Aug. Washington, 1987. 174 p.
10. Bess T.D., Smith G.L. Atlas of wide-field-of-view outgoing longwave radiation derived from Nimbus 7 Earth radiation budget data set - November 1985 to October 1987. NASA Ref. Publ. 1261. June. Washington, 1991. 52 p.
11. Suttles J.T., GreenR.N., MinnisP. etal. Angular radiation models for Earth-atmosphere system. NASA Ref. Publ. - 1184. Washington, 1988. 145 p.
12. Скляров Ю.А. Радиационные воздействия на климатическую систему и их роль в формировании климата // Со-вреенные глобальные и региональные изменения геосистем: Материалы Всерос. науч. конф., посвященной 200-летию Казанского университета. Казань, 2004. С. 381-383.
