CC BY
74
Науки о Земле
УДК 620.91
Бузина Марина Викторовна
Marina Buzina
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, ПОСТУПАЮЩЕЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ, В ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗАБАЙКАЛЬЯ
MEASUREMENT OF THE AMOUNT OF THE SOLAR ENERGY INSOLATING THE EARTH'S SURFACE IN NATURAL CLIMATIC CONDITIONS OF TRANSBAIKALIA
Выявлены факторы, характеризующие при- The mathematical factors describing natural cli-
родно-климатические условия Забайкалья, кото- matic conditions of Transbaikalia were revealed, on the
рые содержат математическую сущность, на basis of them the multiple regression model was
основе их разработана модель множественной worked out. This model provides the possibility to de-
регрессии, дающая возможность определить об- fine the total amount of the solar energy insolating the
щее количество солнечной энергии, поступающей Earth's surface during the specific time period
на поверхность Земли в заданный период времени
Ключевые слова: прямая и рассеянная радиация, ат- Key words: Direct and diffused radiation, atmosphere of the мосфера Земли, солнечная энергия Earth, solar energy
Количество поступающей на Землю солнечной радиации зависит от природно-климатических условий региона, которые влияют на общий поток лучистой энергии, достигающей её поверхности. Источником солнечной энергии являются ядерные превращения водорода в гелий в центральной части Солнца, температура которой составляет около 15 млн град. К. Энергия переносится из центральной части Солнца к наружным слоям излучения, а затем конвекцией поступает на поверхность Земли. Шарообразная форма Земли обуславливает неравномерность поступления тепла от Солнца к полюсам и в экваториаль-
ную зону. Вследствие этого возникает разница в температуре между тропическими, полярными и умеренными широтами. Неравномерность нагревания атмосферы Земли является основным источником энергии для движения воздушных масс и развития циркуляции в мировом воздушном океане.
Солнечная радиация представляет собой электромагнитную радиацию, распространяющуюся в виде электромагнитных волн. До земной поверхности она доходит в виде прямой и рассеянной радиации, а их совокупность называется суммарной радиацией. Прямая радиация - это радиация, которая достигла
горизонтальной поверхности Земли. Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается воздухом и взвешенными в ней твердыми и жидкими частицами (аэрозолями), а также облаками, и называется рассеянной радиацией. Энергия прямой и рассеянной радиации находится в спектральной области с длинами волн 0,3...0,4 мкм (коротковолновая радиация).
Около 30 % поступающей на поверхность Земли энергии отражается, примерно 47 % поглощается атмосферой и поверхностью Земли, и только 23 % попадает в земную систему и превращается в движущую силу ветров, течение волн, формирует климат и вызывает круговорот воды в природе.
Забайкалье отличается большим количеством солнечных дней. По фактической продолжительности солнечного сияния (2354 ч/год) оно может быть поставлено в один ряд с Крымом, Кавказом и Средней Азией. Радиационный фон характеризуется наибольшей интенсивностью и контрастностью по сравнению с окружающими территориями тех же широт. Особенностью радиационного фона является преобладание прямой радиации над рассеянной. Прямая радиация составляет около 55 % от суммарной.
Азиатская территория России в холод-
ное время года находится под действием обширной области Сибирского антициклона, центр которого часто располагается в Забайкалье. Длительные периоды ясной погоды способствуют сильному выхолаживанию подстилающей поверхности Земли и создают благоприятные условия для формирования инверсий. Мощные инверсии температуры образуют задерживающий слой, распространяющийся на сотни километров, и препятствуют переносу различных примесей в верхние слои атмосферы. В условиях горно-котловинного рельефа местности промышленные выбросы рассеиваются плохо, создавая при этом высокие концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, что способствует её загрязнению.
Для экологического оздоровления городов и поселений необходимо внедрять альтернативные источники энергии на основе использования солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли. Ее количество зависит от природно-климатических условий, характеризуемых параметрами, приведенными на рисунке. Их обработка способствует выработке математической модели линейной множественной регрессии для определения мощности лучистого потока.
Скорость ветрового потока, м2/с
Облачность, баллы
Ясные дни Пасмурные дни
Загрязнение воздуха, ^/м3
V тг
Температура воздуха. Продолжительность Температура на
Т°С эогнечного сияния ьдень. горизошальной
час поверхности, Т‘С
Параметры природно-климатических условий окружающей среды региона
Математическое моделирование климатических параметров возможно осуществлять следующими методами:
- метеорологического моделирования, при котором требуется выполнение анализа большого временного ряда данных актинометрических наблюдений соответствующих метеорологических показателей в их действительной последовательности;
- климатического моделирования, основанного на статистическом описании вероятностных свойств природно-климатической среды, полученном из представительского ряда данных актинометрических наблюдений.
Статистические характеристики климата имеют значительно более компактную форму, чем исходный ряд действительных данных и поэтому дают экономию расчетного времени ценой некоторой потери информации.
При динамическом моделировании климатических условий обычно используются почасовые значения количества поступающей солнечной энергии и почасовые значения других метеофакторов - температуры наружного воздуха, скорости ветра, облачности и плотности потока поступающего длинноволнового излучения. Как правило, данные наблюдений для вертикальных и наклонных поверхностей отсутствуют и поэтому требуются соответствующие методы пересчета солнечной радиации и других метеофакторов для произвольно расположенных поверхностей по данным наблюдений для горизонтальной поверхности. Количество почасовых входных данных настолько велико (за 10 лет для 5 метеопараметров это составляет 438 тыс. наблюдений), что стоимость моделирования становится чрезмерно высокой. Для уменьшения стоимости расчетов при динамическом моделировании следует идти по пути выбора стандартного (базисного) расчетного года.
Базисный год, в частности, может быть составлен путем выбора 12 месяцев, адекватно представляющих типичный для многолетнего периода характер изменения данного метеопараметра. Так, например, для солнечной
радиации в качестве репрезентативных месяцев можно выбирать такие месяцы, для которых сумма солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, совпадает со средней многолетней (не менее 10 лет) величиной для данного месяца. Однако детальный анализ показывает, что месяцы, выбранные по данным для горизонтальной поверхности, не обязательно будут репрезентативными для наклонных поверхностей из-за различного удельного веса коэффициентов пересчета солнечной радиации для поверхностей с различными углами наклона.
Из-за большого размера массивов обрабатываемых исходных данных трудно учесть влияние таких микрофакторов, как вертикальные изменения температуры воздуха и скорости ветра, а также влияние городского микроклимата. Эти факторы изменяются в зависимости от типа погоды. Более того, выходные данные таких сложных и дорогостоящих метеорологических анализов трудно применить при проектировании гелиосистем, а данные для составления базисного года имеются лишь для ограниченного числа метеостанций. Полное метеорологическое динамическое моделирование, каким бы привлекательным оно не казалось, на практике может иметь много серьезных недостатков.
При климатологическом моделировании также используются методы динамического аналитического моделирования, но вместо введения в конечную модель всех часовых значений параметра (скажем, за 10 лет) данные наблюдений вначале статистически обрабатываются с целью получения компактного описания почасовых величин климатических параметров для различных типов погоды. Этот процесс позволяет статистически использовать многолетние наблюдения без больших затрат времени. Банк данных при климатологическом моделировании значительно меньше такового для метеорологического моделирования, поэтому можно вводить микроклиматические поправки для важных вертикальных изменений климата. В стандартные значения
температуры воздуха и скорости ветра на высоте 10 м можно ввести поправку, учитывающую действительное положение воспринимающей поверхности.
Климатические параметры - интенсивность солнечного излучения, температура наружного воздуха, облачность загрязнения воздушной среды и скорость ветра - определяют величину тепловой нагрузки поверхности Земли. Все названные параметры представляют собой значительно изменяющиеся во времени величины. Так, например, плотность потока солнечной радиации (У) в данной местности в данный момент времени может принимать значения в пределах от нуля до максимума порядка 900.1100 Вт/м2.
Величину (У) можно представить стохастически с помощью функции распределения вероятностей, характер которой изменяется в течение года.
В качестве исходных данных принимается массив значений плотности потока солнечной энергии на горизонтальную поверхность, составленный по данным действительных наблюдений за 10-летний период и по методике, используемой для выбора репрезентативных месяцев базисного года.
Основное преимущество стохастического метода моделирования состоит в том, что данные по солнечной радиации и температуре наружного воздуха должны быть статистически обработаны один раз для данного местоположения и угла наклона поверхности и представлены в виде модели стохастического процесса (Марковской цепи).
При динамическом моделировании каждое машинное испытание требует повторного обращения к исходным данным и использова-
ния их для расчета системы. Так, если при оптимизационных расчетах гелиосистем необходимо перебрать К вариантов значений воспринимающей площади и п вариантов объема теплоносителя, то при динамическом моделировании потребовалось бы К п раз обращаться к исходному массиву, в то время как при стохастическом методе достаточно один раз обработать исходные данные независимо от числа испытаний. Это значительно сокращает затраты машинного времени. Другое преимущество стохастического метода состоит в возможности использования соответствующих Марковских матриц для анализа любой поверхности в данной местности при том же угле наклона.
Выявленные параметры рассматриваемых природно-климатических условий дают возможность разработать линейную модель множественной регрессии для определения количества солнечной энергии на поверхности Земли. Она позволяет прогнозировать значения одной переменной (У) на основе значений двух или нескольких независимых переменных х1,х2...хт.
Уравнение линейной модели множественной регрессии имеет вид
у = Ьо -I- Н- 1 ■ ■ + 1
где у - теоретическое значение результативного признака, полученное путем подстановки соответствующих значений факторных признаков в уравнении регрессии;
х1,х2,...хт - значения факторного признака;
Ьо,Ь1,Ь2,...Ьт - коэффициент регрессии.
При определении параметров модели методом наименьших квадратов минимизируется сумма квадратов остатков.
П ) п
воет = Х(уI - у )2 =Е(У - Ьо - Ь1Х1 - Ь2 *2 -... - ЬА )2 ® т'п . (2)
/=1 /=1
Рассматривая О0ат в качестве функции чаем систему нормальных уравнений с т не-
параметров Ь и выполняя математические известными (по числу параметров Ь):
преобразования (дифференцирование), полу-
ПЬ0 + Ьх S Хх + b2 S Х2 + - + bm S Xm = S У
b0 SХ1 + Ь1 SXi2 + Ь2 SХ2X1 + •• + bm SXmXl = SУХ1 , (3)
b0 S Xm + b1 S XmX1 + b2 S XmX2 + ••• + bm S X ! = S УХт
где п - число наблюдений;
т - число факторов в уравнении регрессии.
Решением системы уравнений (3) находятся значения параметров Ь - коэффициентов искомого теоретического уравнения регрессии. Подставляя значения коэффициентов в уравнение (1), определим количество падающей солнечной энергии на поверхность Земли.
Выводы: дано понятие о прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации в Забайкалье, в котором радиационный фон характеризуется наибольшей интенсивностью и контрастностью по сравнению с окружающими территориями тех же широт. Особенностью является преобладание прямой радиации над рассеянной. Прямая радиация составляет около 55 % от суммарной.
1. Оценка экологической опасности. Обеспечение безопасности. Методы оценки рисков. Мониторинг / Под ред. Т.А. Хоружая. - М.: Книга сервис, 2002. - 208 с.
2. Удел С.М. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии / С.М. Удел. - М.: Знание, 1980. - 60 с.
Коротко об авторе_____________________________
В определенный период времени мощные инверсии температуры образуют задерживающий слой и препятствуют переносу примесей в верхние слои атмосферы. Особенно это наблюдается в условиях горнокотловинного рельефа местности, где промышленные выбросы рассеиваются плохо, создавая при этом высокую концентрацию загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.
Выявлены параметры, характеризующие природно-климатические условия Забайкалья, на основе которых разработана модель множественной регрессии, позволяющая рассчитать общее количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли в данный период времени.
_________________________________Литература
3. Устойчивое развитие и экологическая безопасность / Под ред. В.В. Морозова. - Самара: СГАУ, 2006. - 225 с.
4. Богословский В.Н. Строительная теплофизика / В.Н. Богословский. - М.: Строймздат, 1970. - 230 с.
_______________________Briefly about the author
Бузина М.В., аспирантка, Читинский государственный M. Buzina, Post-graduate student, Chita State University университет (ЧитГУ)
Служ. тел.: 41-65-12
Научные интересы: использование нетрадиционных Areas of expertise: use of nonconventional energy sources источников энергии
