CC BY
105
Н. Тугжсурэн
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ АТМОСФЕРЫ В ОБЛАСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ АКТИВНОЙ РАДИАЦИИ СОЛНЦА
Представлены результаты вычислений значения аэро-зольной оптической толщины атмосферы по измере-ниям прямой фотосинтетически активной радиации Солнца, по предложенной аппрокси-мационной формуле Г.М. Абаку-мовой и др. [1, 2].
Обнаружены изменчивости значений аэрозольной опти-ческой толщины атмосферы в области фотосинтетически ак-тивной радиации по месяцам года на данной территории Мон-голии и сделаны некоторые выводы.
Ключевые слова. Аэрозоль, оптическая толщина, фотосин-тетическая активная радиация.
1. Введение
Главная характеристика аэрозольной мутности атмосферы -это аэрозольная оптическая толщина атмосферы для эффек-тивной длины волны солнечного спектра 550 нм, рассчитанная по данным измерений интегральной прямой солнечной радиации. С другой стороны, можно считать, что аэрозольная мутьность атмосферы -характеристика экологического состояния воздушного бассейна данного района.
Ослабление солнечной радиации в атмосфере обуслов-лено в основном тремя факторами: молекулярным (релеевским) рассеянием, поглощением и аэрозольным ослаблением.
По измерениям интегрального потока прямой солнечной радиации на земной поверхности можно оценить общее ее ослабление в атмосфере и ослабление по компонентам.
Общее ослабление интенсивности прямой солнечной радиации, прошедший через слой атмосферы, описывается законом Бугера:
где $0,а. е Sя - интенсивность излучения до и после прохож-дения слоя воздуха толщиной L; аХ (L) - общий коэффициент ослабления.
Формулу (1) можно записать в виде:
^ = За ехР {-тхя) = \лрля, (2)
где хя - оптическая толщина атмосферы, характеризующая общее ослабление интенсивности прямой солнечной радиации; РЯ -спектральный коэффициент пропускания атмосферы для единичной оптической массы атмосферы я .
Е? (2) пёаабао, Ря = е хХ е хХ = |аХ(Ь^Ь.
Ослабление радиации в области спектра 370-710 нм вызывается в основном молекулярным (тя Х), аэрозольным рассеянием
Ха Х) и поглощением (тог Х) и небольшим поглощением озоном в полосах Шаппюи. В этом случае оптическая толщина может быть представлена в виде суммы:
ХЛХ = ХК,Х ~^Ха,Х ~^Хог,Х (3)
В работе [1] былы приведены подробные расчеты прямой фотосинтетически активной радиации (ФАР) по форму-
710
ле: | ^0Д(ехр- ях^Х, (4)
380
где £0Х - спектральная составляющая солнечной постоянной, -оптическая масса атмосферы, при которой измерена пря-мая солнечная радиация ( Бря - интенсивности прямой солнеч-ной радиации на земной поверхности, приведенная к среднему расстоянию □ между Землей и Солнцем).
Для сравнения коэффициента прозрачности при разных массах атмосферы необходимо исключить его зависимость от массы. Имеется большое число методов приведения коэффи-циентов прозрачности к определенной массе атмосферы.
Наиболее удобна для использования методика С.И. Сив-кова [3], по которой интенсивность прямой радиации приво-дится к высоте Солнца Ю = 300 или к относительной массе атмосферы т = 2.
да
2. Результаты исследования и их обсуждение
При решении самых разнообразных атмосферно-опти-ческих задач, в частности при исследовании спектральной прозрачности атмосферы, необходимы сведения об аэрозоль-ной оптической толщине в области фотосинтетически актив-ной радиации Солнца.
С другой стороны, для оценки загрязнения атмосферы под действием естественных и антропогенных факторов, понима-ния причин и моделирования современных изменений климата очень часто используются данные об аэрозольной оптической толщине атмосферы (Х0 = 550 нм).
Одним из наиболее простых и достаточно точных методов является определение по измерениям прямой солнечной радиации S□□ в области спектра ФАР Солнца (380 нм < X < 710 нм).
Преимущества этого метода - отсутствие в области фотосинтетически активной радиации поглощения солнеч-ной радиации водяным паром и зависимости $дХ от спектрального хода х4,х, слабо выраженный эффект Форбса и возможность измерений прямой ФАР стандартным термоэлектрическим актинометром со светофильтрами БС-8 и КС-19 [1, 2].
Абакумовой Г.М. и др. была предложена одна простая формула для расчета аэрозольной оптической толщины атмосферы Па,П для длины волны 550 нм по значениям прямой ФАР, измеренной термоэлектрическим актинометром со светофильтром БС-8 и КС-19. На основании установления связи между S□□ и параметрами атмосферы, влияющими на ее приход, предложенная ими формула имеет вид [2]:
_ - 1п^ -0.699/(81п^)0312
а,Х 1.013/(81п^)0945 , (
где Ю - высота Солнца.
В данной работе были использованы термоэлектрическо-актинометрические измерения потока прямой ФАР Солнца, проведенной на территории Угтаалцайдам сомона Централь-ного аймака (□ = 48,3 N0 = 105025’Е) за каждый час дневного времени с 1986 по 1996 гг. [5]. Для измерения прямой ФАР, приходящей на горизонтальную поверхноть Земли, поставлены на термоэлектрическом актинометре АТ-50 стеклянные светофильтры (БС-8, КС-19), которые селектив-но пропускают области спектра ФАР Солнца. Общая
пог-решность измерений прямой ФАР при наблюдениях с широкополосными светофильтрами можеть достигать 15 %. Соответственно определению ФАР приборы для ее измерения должны быть неселективно чувствительными к области излу-чения 380-710 нм и нечувствительными к остальной области спектра [12].
При измерениях ФАР и более узких областей спектра дифференциальным методом имеются несколько источников спектральных погрешностей:
1) неточность данных о спектре пропускания светофиль-тров,
2) зависимоть поправок к светофильтрам от спектраль-ного состава радиации.
В табл. 1. даны средние поправки к паре фильтров БС-8 толщиной 3 мм, КС-19 толщиной 5 мм по каталогу и по данным определения спектрального пропускания на спектро-фотометре СФ-
Оааёеоа 1
Сааоїоеейод АЇЇ-8 (3 іі) £N-19 (5 іі)
ЇЇЇбааее 1.20 1.18
Їбїабааипбй, % 6.0 4.5
По сравнению с по-правкой, вычисленной по каталогу, расхождение достигает 6 %. На рис. 1 показано спектральное пропускание стеклянных светофильтров БС-8 (3 мм) и КС-19 (5 мм).
Веп. 1. Маёддаёйиа їді-іопеаїеа іаеідідйд поаё-ёуийд паадіоеейддіа:
= *аЛ(\/ЛУ , (6)
где - показатель селективности аэрозольного ослабления солнечной радиации. Как показали расчеты, различия в вели-чинах S□□ для п = 1 и п = 2 невелики: они превышают 3 % лишь при высотах Солнца МП 30 ^тЬ0 = ПО П0.5) и высокой аэро-зольной мутности. Результаты расчетов для ПО и представ-лены в табл. 2 [1]. За-табулированные значения S □□ в зависи-мости от ПО и , также измерения S□□ при безоблачном небе 02, приведенные к среднему расстоянию Земли от Солнца, позволяют определить Па,П . Многочисленные данные ежечасного измерения прямой солнечной радиации в спектральной области 370-710 нм дают нам возможность определения среднемесячного значения аэрозольной оптической толщины атмосферы для каждого момента наблюдений. Таблица 2
Прямая солнечная радиация S □□ (Вт/м2 ) в спектральном диапазоне
■*аЛ0 Цо
0.10 0.20 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
0,05 113 235 309 335 356 374 389 402
0,10 71 184 262 290 314 334 352 367
0,15 50 149 222 252 277 299 318 335
0,20 29 114 189 219 245 268 288 305
0,25 20 92 160 190 216 240 260 279
0,30 12 71 136 165 191 215 236 254
0,35 10 60 116 144 169 192 213 232
0,40 7 49 99 125 150 172 193 212
0,45 4 39 84 109 132 155 175 194
0,50 2 28 72 95 117 139 159 177
0,55 2 24 61 83 104 124 144 162
0,60 1 21 52 72 92 112 130 148
0,65 1 18 45 63 82 100 118 136
0,70 1 14 38 55 72 90 107 124
0,75 0 10 33 48 64 81 98 114
0,80 - 7 28 42 57 72 88 104
0,85 - 6 25 38 52 66 81 96
0,90 - 5 22 34 46 60 74 88
0,95 - 4 18 29 40 54 67 81
1,00 - 3 15 25 35 48 60 73
В табл. 3 дается годовой ход средних значений аэро-зольной оптической толщины , вычисленный по формуле (5). В этой же таблице приведены также максимальные и минимальные значения , среднеквадратическое отклонение □, коэффициент вариации V и число наблюдений в данном месяце.
Изменение аэрозольной оптической толщины наблюдается в годовом ходе (см. рис. 2).
Сезоны года, в которые наблюдаются высокие значения оптической толщины атмосферы в спектральной области 510-640 нм совпадают с отопительным периодом в Улан-Баторе [4, 6]. Зимой в Улан-Баторе многочисленные юрты, кроме ТЭЦ, топятся углями. Дым от многочисленных источников загрязне-ния разного рода зимой сохраняется долгое время в атмос-ферном воздухе над Улан-Батором, находящимся в долинеіЯ0 <Х< 710 й аёу п =1
^аЛ0 Цо
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
0,05 413 423 432 439 446 452 458 463 467
0,10 380 391 401 410 419 426 432 438 444
0,15 349 362 373 384 393 401 409 416 422
0,20 321 335 347 358 368 378 386 394 401
0,25 295 310 323 335 346 356 365 373 381
0,30 271 287 301 313 325 335 345 354 362
0,35 250 265 280 293 305 316 326 335 344
0,40 230 246 260 274 286 298 308 318 327
0,45 211 228 242 256 269 280 291 302 311
0,50 195 211 226 240 252 264 275 286 296
0,55 179 195 210 224 237 249 260 271 281
0,60 165 181 196 210 223 235 246 257 267
0,65 152 168 182 196 209 221 233 244 254
0,70 140 155 170 184 196 209 220 231 242
0,75 130 144 158 172 185 198 208 220 230
0,80 119 133 147 160 174 186 197 208 219
0,85 111 124 138 151 164 176 187 198 209
0,90 103 115 129 142 154 166 177 188 199
0,95 94 107 120 132 145 156 168 178 189
1,00 86 98 111 123 135 146 158 168 179
7 , аЛ
Средняя Максималь- ная Минималь- ная ± ст V, % Число случаев
I 0,07 0,14 0,05 0,018 6 448
II 0,08 0,16 0,05 0,019 9 440
III 0,15 0,34 0,06 0,023 13 503
IV 0,19 0,38 0,06 ,0,23 12 519
V 0,21 0,40 0,05 0,024 13 540
VI 0,17 0,37 0,04 0,025 12 458
VII 0,14 0,31 0,04 0,025 13 461
VIII 0,14 0,32 0,04 0,026 11 474
IX 0,19 0,36 0,05 0,028 12 509
X 0,18 0,35 0,06 0,026 11 500
XI 0,17 0,33 0,06 0,028 10 461
XII 0,09 0,18 0,05 0,019 9 459
I Айвой
Веп. 2
реки Туул, под действием инверсионного слоя и устойчивого антициклона часто встречающихся на территории Монголии в этот сезон года. Такая ситуация климата и антропогенное действие становятся причинами сравнительно вы-
сокого сред-него значения оптической толщины в Улан-Баторе [4, 6].
В сельских местностях, находящихся в открытом месте и где почти нет загрязняющих источников антропогенного происхождения, средние значения оптической толщины имеют минимальные значения в зимний период.
Об этом повторно свидетельствуют результаты нашего исследования аэрозольной оптической толщины на террито-рии Угтаал-цайдам сомона.
Настоящие исследования показывают, что на территории Угтаалцайдам сомана, находящейся в центральной части земледельческого района Монголии, отмечаются сравнительно высокие значения оптической толщины в сухое время года, т.е. весной и осенью [8-12].
Было проведено сравнение расчетов оценки аэрозольной оптической толщины Па,П0, определеной с помощью табл. 2 и по формуле (5). Максимальные разности находятся в пределах точности определения.
Заключение
1. Формула (5), предложенная Абакумовой и др., вполне приемлема для определения аэрозольной оптичес-кой толщины по значениям прямой фотосинтетически аквивной радиации, измеренной термоэлектрическим актинометром со светофильтрами БС-8 и кС-19.
2. Средние значения аэрозольной оптической толщины земной атмосферы для каждого месяца с достаточной степенью точности характеризуют величину загрязненности земной атмосферы для данного места.
3. Для станции солнечной радиации, находящейся в центральной части земледельческого района Монголии с условием резко-континентального климата, наблюдается годовой ход аэрозольной оптической толщины земной атмосферы.
4. Для сельской местности Монголии, где нет больших промышленных предприятий, загрязняющих атмосферу, максимум аэрозольной оптической толщины наблюдается в весенний и осенний сезоны, а минимум - в зимние месяцы с устойчивым периодом азиатских антициклонических воздействий погоды над территорией страны.
5. Главным загрязняющим фактором атмосферы для сельской местности Монголии - является фактор естествен-ного происхождения. Сравнительно большие значения аэро-зольной оптической толщины атмосферы в весенний и осенний сезоны для земледельческой зоны страны связаны с весенними пыльными бурями и восходящей пылью во время вспашки земли и уборки урожая.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абакумова Г.М., Тарасова Т.А., Ярхо Е.В. Определение аэро-зольной оптической толщины атмосферы по измерениям прямой фото-синтетически активной радиации//Метеорология и гидрология. - 1992. - N010 - С. 63-67.
2. Абакумова Г.М., Плахина И.Н., Тарасова Т.А. Оценка аэро-зольной оптической толщины атмосферы по данным наземных и судовых актинометрических измере-ний//Метеорология и гидрология. - 1989. - N010.
3. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 282 с.
4. Батсух Г. Исследования спектрального состава солнечной радиации в некоторых пунктах МНР.- Канд. дисс.. - Улан-Батор, 1989.
5. Тугжсурэн Н. Исследование солнечной радиации в сухой и прохладной зоне земледельческих районов Монголии. -ЦИНТ, 1996. - Улан-Батор.
6. Тугжсурэн Н. и др. Оптическая толщина атмосферы в области спектра 510-640 нм по данным наблюдений в Улан-Баторе//Учёные записки Монгольского гоударственного университета. - 1984. - N0(85). - С. 22-29.
7. Батсух Г., Ганбаатар Д., Тугжсурэн Н., Халтар Д., Филиппов А.Х. Спектральная прозрачность атмосферы северной части озера Хубсугула// Учёные записки Монгольского государственного университета. - 1982. -№3(79). -С. 103-113.
8. Batbayar J., Tugjsuren N., Tuya S. 2004: Applying of modis data for aerosol de-tection over Mongolia. Scientific Transactions of University of Science and Technology, № 5(67), 44-51.
9. Batbayar J., Tugjsuren N, 2005: Satellite detection of the atmospheric aerosol for some region of Mongolia, Proceedings of
First National Conference on RS and GIS applications, Ulaanbaatar, 2005, May 02-03, p 77-82
10. Batsukh G., Tugjsuren N et.al. 2005: Estimation of atmospheric optical thick-nesses in Ulaanbaatar city, Studies on Mongolian Environmental Issues Using Remote Sensing and GIS, Chiba, Japan, 2005, p. 103-108.
11. Takamura T., Tugjsuren N., Takenake H., Karauyama T. 2006: Annual varia-tion of aerosol optical thickness derived from PAR observation in Mongolia The 2nd In-ternational Conference on Land cover /Land use study using Remote Sensing /GIS and the GOFC-GOLD regional capacity building meeting in Mongolia, 8-9 June 2006, Ulaanbaatar, Mongolia.
12. Tugjsuren, Nas-Urt, and Tamio TAKAMURA, 2001: Investigation for Photo-synthetically Active Radiation Regime in the Mongolian Grain Farm Region, J. Agric. Meteorol., 57(4), 201-207.
Тугжсурэн Нас-Уртын - Монгольский государственный университет науки и технологии,[email protected]
