CC BY
122
122
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 551.521.1 + 551.584 В.А. Шкляев, С.В. Исаков
ОЦЕНКА БАЛАНСА КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ ТЕРРИТОРИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ*
Рассматриваются возможные оценки микроклиматических особенностей территории по балансу коротковолновой радиации. Учитываются особенности подстилающей поверхности, рельеф местности, различные типы урбанизированных территорий, влияющих на величину альбедо. Сравниваются традиционные методы оценки и анализа с геоинформационным методом исследования. Выявлены причины расхождений результатов расчетов с использованием данных методов, к которым можно отнести погрешности построения карт лишь по четырем экспозициям склонов, не достаточно качественный учет поступления радиации на восточные и западные склоны в зависимости от величины уклона, небольшое число градаций углов уклонов. Приводится оценка гелио-энергетического потенциала территории на примере одного микрорайона города. Показано, что в зимний период поступление прямой солнечной радиации ниже необходимых минимумов энергетической обеспеченности, а в остальной период может существенно превышать их.
Ключевые слова: микроклимат, солнечная радиация, энергетический потенциал, геоинформационные системы.
Лучистая энергия Солнца является практически единственным источником энергии, за счет которой совершаются атмосферные движения и происходят разнообразные процессы в атмосфере. Поскольку длины излучаемых волн, встречающихся в природе, изменяются в очень широких пределах, весь электромагнитный спектр делят на несколько областей: это ультрафиолетовая область спектра с длиной волн до 0,4 мкм; видимая область спектра с длиной волн от 0,4 до 0,75 мкм; инфракрасная область спектра с длиной волн более 0,75 мкм. Инфракрасный спектр принято подразделять на близкую инфракрасную область (0,75-25 мкм) и далекую инфракрасную область (25-1000 мкм) [1-3].
В области спектра от 0,3 до 10 мкм заключено 99 % полной энергии излучения Солнца, так что именно эта область дает основной вклад в значение солнечной постоянной. Этот спектральный интервал наиболее важен для теплового равновесия земной атмосферы [3; 4].
Поглощение солнечного излучения существенно влияет на количество энергии, доходящей до земной поверхности. Поглощение солнечного излучения в стратосфере обусловлено полосами озона -Хартли в ультрафиолетовой области спектра и Шаппюи в видимой. «Истощение» солнечного излучения в тропосфере вызвано в основном поглощением в группе полос водяного пара, расположенной в близкой инфракрасной области спектра. В поглощении собственного излучения атмосферы необходимо учитывать также углекислый газ. Таким образом, с энергетической точки зрения главную роль в поглощении и излучении радиации в атмосфере играют углекислый газ, озон и особенно водяной пар [5; 6].
Солнечная радиация является наиболее мощным и доступным из всех возобновляемых источников энергии. Стоит отметить, что современная стратегия долгосрочного развития энергетики уже не может базироваться только на топливно-энергетическом комплексе: стратегическое решение проблем устойчивого развития энергетической отрасли возможно на основе постепенного перехода к полномасштабной альтернативной энергетике, использующей природные возобновляемые источники энергии.
Проблема использования энергии солнца заключается в том, что наибольшее ее количество поступает летом, то есть в то время, когда потребность в ней минимальна. Зимой же, когда требуется большое количество энергии, продолжительность солнечного сияния минимальна, а освещение происходит под низким углом к горизонту.
Целью данной работы является оценка максимально возможных значений потоков прямой солнечной радиации без учета поглощения радиации парниковыми газами для четырех дат ключевых астрономических явлений: летнее солнцестояние (21 июня), зимнее солнцестояние (21 декабря), дни равноденствия (20 марта / 22 сентября) в астрономический полдень.
* Работа выполнена при частичном финансировании РФФИ. Грант р_урал_а №14-05-96002.
Материалы и методы исследований
Сложность использования солнечной энергии заключается в достаточно низкой удельной величине потока энергии на поверхность, значительных колебаниях потока в течение суток и года. Возможность и перспективы использования поступающей коротковолновой солнечной радиации в технических целях требуют предварительных оценок потока солнечной радиации в данном регионе, условий освещенности территории, статистических характеристик облачного покрова. После соответствующих оценок появляется возможность использования расчетных результатов для разработки технической части использования солнечной радиации в энергетике либо проведения микроклиматических исследований территории.
Комплексная оценка, реализованная в геоинформационной среде, требует определенных теоретических расчетов и преобразований классических методик расчета, конверсия которых в геоинформационную среду в исходном виде не представляется возможной в связи с технической спецификой данных программных комплексов. Реализация и адекватная интерпретация классических схем расчета, а также включение локальных микроклиматических параметров территории (характеристики атмосферы и орография местности) рассматриваются как ключевые моменты комплексной оценки [7].
Оценка включает в себя следующие процедуры.
1. Оценка особенностей рельефа - количество поступающей прямой солнечной радиации при безоблачном небе к земной поверхности в процентах от количества радиации на ровной поверхности. Таким образом, вводится преобразующий коэффициент на рельеф (слой L). Теоретические основы и реализация оценки подробно описаны в [7].
2. Оценка особенностей подстилающей поверхности - определения дифференциального альбедо застройки и естественных поверхностей (слой A). Техника выполнения оценки описана в [8].
3. Послойный расчет и анализ потоков коротковолновой радиации на разных границах в атмосфере.
Инсоляция представляет собой случайную величину. Обычно ее рассматривают как статистическое явление, развивающееся во времени согласно законам теории вероятности. Последовательность результатов наблюдений представляет собой временной ряд, анализируя который можно получить стохастическую модель, позволяющую вычислить вероятность того, что некоторое будущее значение инсоляции будет лежать в определенном интервале, обладающую минимальным числом параметров и при этом адекватно описывающую исследуемый процесс.
Построение модели для анализа потоков коротковолновой радиации целесообразно разбивать на две части [9]:
• детерминированная часть расчета дневных сумм солнечной радиации для безоблачного неба (модель безоблачного неба);
• стохастическая часть определения коэффициента ослабления солнечной радиации облачностью (модель облачности).
Первая часть предназначена для расчета прямой и рассеянной солнечной радиации на земную поверхность при безоблачном небе. В этом случае искомая величина будет зависеть от функции пропускания атмосферы.
Модель безоблачного неба в настоящее время разработана достаточно хорошо [10-14].
Существующий механизм расчета, который используется в ArcGIS (Solar Analyst) основан на модели SolarFlux [14], разработанной для использования в ArcGIS, имитирующей влияние наложения тени от объектов, влияющей на поступление прямой солнечной радиации. Функция использует дискретные интервалы во времени. Основываясь на цифровых моделях рельефа и использовании алгоритмов получения полусферической зоны видимости, Solar Analyst представляет возможности расчета солнечного излучения.
Общее количество поступившего солнечного излучения рассчитывается для конкретного местоположения или области и задается как глобальный поток излучения. Расчет прямой, рассеянной и суммарной инсоляции повторяется для каждой точки поверхности топографических карт определенного географического района. Для расчета переноса солнечной радиации используется простая модель функции пропускания, которая учитывается посредствам усреднения данной функции по всем длинам волн в направлении кратчайшего пути к точке. Это ведет к невозможности детальной настройки всех параметров функции пропускания, включая определение максимальных значений пото-
2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
ков прямой солнечной радиации без учета поглощения. К тому же возможности Solar Analyst для учета облачности и альбедо территории также ограничены [13; 14].
Расчет потоков коротковолновой радиации базируется на том, что спектральные области, в которых сосредоточена коротковолновая солнечная и длинноволновая земная радиация, практически не перекрываются. По этой причине перенос коротковолновой и длинноволновой радиации можно рассматривать отдельно. При таком подходе можно сделать следующее упрощение: в коротковолновой области ничтожно мало собственное излучение Земли, облаков и атмосферы. В расчетах использовались следующие формулы:
• R1 - расчетный слой поступающей коротковолновой солнечной радиации при безоблачной атмосфере S'(z) , нисходящая рассеянная радиация отсутствует; рассчитывается по формуле
S'(z) = S(z)cose = S0 cosePk j(m j,mC j). (1)
T
• R2 - расчетный слой отраженной солнечной радиации при безоблачной атмосфере D (z);
рассчитывается по формуле
т
D (z) = S 0COS&Pk 2(m 2 , mC 2 ). (2)
• R3 - расчетный слой нисходящей солнечной радиации, прошедшей сквозь облако в подоблачном слое D ^ (z); рассчитывается по формуле
D (z) = S0cOs0Pk 3(m 3, mc 3). (3)
• R4 - расчетный слой восходящей солнечной радиации, прошедшей сквозь облако и отраженной от подстилающей поверхности в подоблачном слое D (z); рассчитывается по формуле
D (z) = S0 cos 6Pk 5(m 4, mc 4). (4)
• R5 - расчетный слой восходящей солнечной радиации, прошедшей сквозь облако и отраженной от подстилающей поверхности в надоблачном слое D (z); рассчитывается по формуле
D(z) = S0cos6 \Pk5(m4,mc4
) + Pk 4^ mc 5)]. (5)
Дальнейшая обработка слоев R2, R3, R4, R5 включает в себя операцию растровой алгебры умножения полученных данных на ранее созданный растровый слой L. С помощью этой операции учитывается влияние рельефа.
В формулах (1) и (5) S0cos в - инсоляция на верхней границе атмосферы, S0 = 1376 Вт/м2 -солнечная постоянная. P и m с индексами обозначают функции пропускания и поглощающие массы для разных видов радиации.
Интегральная функция пропускания для коротковолновой радиации в облачной атмосфере Pk i (i = 1,2,3,4,5) может быть представлена в следующем виде:
Pki (m j , mCj ) = a,PUK (mj , mCj ), (6)
где PUK (mj,mCj) - функция пропускания для инфракрасной части солнечной радиации,
учитывающая поглощение радиации водяным паром и углекислым газом.
Коэффициент ai в (6) учитывает отражение и пропускание солнечной радиации облаками и отражение ее земной поверхностью в инфракрасной области спектра. Для прямой солнечной радиации а\ = 1.
В соответствии с этим сделан ряд приближений, в которых раскрывается суть ранее поставленной задачи
• Функция пропускания для инфракрасной части солнечной радиации, которая учитывает поглощение радиации для инфракрасной части солнечной радиации водяным паром и углекислым газом, была принята равной 1, то есть при отсутствии поглощения в атмосфере данными веществами. Данное приближение позволяет оценить максимальные значения потоков радиации для данной широты и времени вне зависимости от локальных характеристик атмосферы. Так, введение реальных значений этой функции закономерно приведет к уменьшению значений потоков радиации в связи с присутствием в атмосфере поглощающих веществ.
• Как будет показано далее, расчетные слои карт для дат равноденствия будут практически идентичны, что позволяет использовать меньший объем расчетов.
• Использование слоя карты дифференциального альбедо не является необходимым, поэтому далее приводится только обзор основных моментов данной оценки.
Оценка влияния земной поверхности является подготовительным этапом для последующих расчетов. Дешифровка космических снимков необходима для дальнейшей оценки крутизны и экспозиции, а также характера и свойств подстилающей поверхности рассматриваемой территории. Таким образом, выполняется два типа оценок: особенностей рельефа и особенностей определения дифференциального альбедо.
Оценка особенностей рельефа включает определение количества поступающей прямой солнечной радиации при безоблачном небе к земной поверхности в процентах от количества радиации на ровной поверхности.
Расчет потоков коротковолновой солнечной радиации. Помимо рассмотренной модели So-larFlux, можно выделить еще два метода расчета потоков радиации:
1) методические указания Главной геофизической обсерватории;
2) гибкий поэтапный расчет потоков солнечной радиации с использованием растровой алгебры.
Методические указания Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (далее ГГО)
были составлены для производства микроклиматических обследований за авторством И.А. Гольц-берг, Е.Н. Романовой, К.Ш. Хайруллина и др. [15].
Методика ГГО отличается простотой реализации. Поскольку изменения радиации определяются экспозицией и крутизной склона, для построения карты прямой радиации в условиях изрезанного рельефа также следует совместить карты уклонов местности и карты экспозиций склонов. Для среднемесячных либо среднесезонных расчетов количественные данные по изменению прихода прямой солнечной радиации в зависимости от местоположения могут быть заимствованы из многолетних наблюдений при подготовке методики ГГО. В таких случаях традиционно выделяют шесть градаций прихода солнечной радиации в процентах от радиации на ровном месте [15; 16].
Предлагаемый авторами альтернативный подход расчетов использует геоинформационную систему ArcGIS. Вычисления проводятся для конкретных дат и времени. Данный метод целесообразнее использовать в рамках поставленной задачи. Теоретические основы реализации такого подхода в геоинформационной среде изложены в [7]. Используется инструмент растровой алгебры модуля ArcGIS.
Для корректных выводов далее целесообразно сравнить результаты расчетов, получаемые с использованием этих двух методов.
Результаты и их обсуждение
Сравнение традиционного метода оценки и анализа геоинформационным методом проводится на примере расчета слоя относительных значений притока солнечной радиации за конкретный период. Входные данные представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры для расчетов с использованием растровой алгебры ArcGIS
Параметры расчетов 20 марта 21 июня 22 сентября 21 декабря
Время 14 ч 21 мин 14 ч 16 мин 14 ч 07 мин 14 ч 12 мин
h® 32,06 (32,1) 55,44 32,11 (32,1) 8,56
W (азимут Солнца) 180° 180° 180° 180°
sin h@ 0,531 0,82 0,531 0,148
cos h@ 0,847 0,567 0,847 0,988
Результат расчета по методике ГГО представлен на рис. 1 для окрестностей метеостанции (МС) «Пермь-Опытная». Распределение прямой солнечной радиации, как и рельеф местности, отличается большой пестротой. Однако можно выделить и сравнительно обширные участки, характеризующиеся большим или меньшим поступлением радиации, чем на ровное место.
126_В.А. Шкляев, СВ. Исаков_
2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Рис. 1. Карта изменения прямой солнечной радиации для МС «Пермь-Опытная», построенная в соответствии с указаниями методики ГГО [15] (в процентах от радиации на ровном месте)
Расчеты с использованием ArcGIS представлены на рис. 2. Данные расчеты проводились для четырех дат: 20 марта, 21 июня, 22 сентября, 21 декабря в астрономический полдень, в который наблюдается максимальное возвышение Солнца над горизонтом. На широте 58° астрономический полдень приходится в среднем на 14:00 местного времени. Специфической особенностью этого времени является то, что величина азимута солнца составляет 180°.
Рис. 2. Карта изменения прямой солнечной радиации для МС «Пермь-Опытная», построенная с использованием растровой алгебры ArcGIS (доли единицы от радиации на ровном месте)
Факторы, определяющие радиационный режим наклонных поверхностей, исследовались достаточно хорошо [17; 18]. Расчеты с использованием геоинформационных систем можно выполнять в соответствии с приведенными ниже формулами.
Прямая радиация на склон с учетом астрономических факторов, а также крутизны и ориентации склона.
Scm = S cos i, (7)
где S - прямая радиация на перпендикулярную к лучам поверхность; cos i - косинус угла падения солнечных лучей на заданную поверхность, определяемый известным соотношением
cos i = cosa sin h@ + sin a cos h& cos^, (8)
a - крутизна склона, i - угол падения солнечных лучей на склон, h@ - высота Солнца, у - разность
азимутов Солнца и проекции нормали к склону.
В данном случае формула (8) является целевой, так как она необходима как для расчетов относительных изменений притока радиации, так и для определения ее абсолютных значений.
Из особенностей воспроизведения этих формул стоит отметить, что, как и во многих статистических расчетных приложениях тригонометрические операции со слоями требуют перевода «градус-радиан».
Пример построения выражения расчета может выглядеть следующим образом:
Сos([Раccчитанный слой уклона] / 180 * 3,14) * Sin h@ + Sm([PaccHumaHHbiü слой уклона] / 180 *
3,14) * Cos h@ * Cos([Переклаccификация cmоя эктозиции] / 180 * 3,14),
где множители:
• Cos([Раccчитанный cmой уклона] / 180 * 3,14) представляет собой аналог множителя cos a;
• Sin([PaccHumaHHbiü cmой уклона] / 180 * 3,14) - аналог множителя sin a;
• Sin h@ и Cos h@ - вводятся либо непосредственно значения тригонометрических функций,
либо значения с учетом перевода «градус-радиан»;
• Cos([Переклаccификация cmоя эктозиции] / 180 * 3,14) - аналог cos ¥.
Суть переклассификации заключается в присвоении постоянных центральных значений румбовым системам, что в соответствии с теоретическими положениями отсчитываются от плоскости меридиана, причем азимуты считаются положительными при отсчете от точки юга в направлении часовой стрелки. При значении азимута Солнца, отличном от 180°, ¥ представляет собой разность азимута Солнца и проекции нормали к склону на горизонтальную плоскость с учетом вышеописанной системы отсчета.
Относительные изменения прямой солнечной радиации (в процентах от радиации на ровном месте) вычисляются как отношение cos i к sin h@ .
Таблица 2
Пространственная статистика относительного притока прямой солнечной радиации (процентное соотношение) для микрорайона Архирейка
Прямая солнечная радиация (% от потока на горизонтальную поверхность) Площади участков склонов, %
расчеты в ArcGIS методика ГГО
меньше 80 - -
80-89 7 13
90-99 37 29
100-105 32 17
106-110 23 41
Среднее количество прямой радиации 99,0 % 98,0 %
В соответствии с этим целесообразно сравнить карты, построенные с использование растровой алгебры, с картами, полученными с использованием методики ГГО. Сравнение будет показано на примере карт среднесуточных сумм прямой радиации для июля. Для карт методики ГГО использова-
лись предложенные коэффициенты для июля. Для расчетного метода были использованы азимута и высоты солнца с интервалом в 1 час с 7:00 до 22:00 (рис. 2).
В табл. 2 сравниваются результаты картирования относительного притока прямой солнечной радиации, выполненные в соответствии с различными подходами. Так, стоит отметить, что среднее количество притока практически идентично - разница составляет 1 %. Пространственное же распределение имеет определенные различия. Для методики ГГО характерно большее количество территории как с максимальными значениями из градаций, так и с минимальными. Для расчетного метода в ArcGIS характерно преобладание значений около определенного среднего значения.
Причины различий в пространственных данных между расчетами, выполненными с разных подходов, обусловлены следующими факторами.
1. Карта экспозиций, построение которой предлагается в методике ГГО, строится для четырех главных стран света, таким образом, участки склонов относятся к одной из четырех экспозиций. Наибольшая пространственная ошибка происходит именно из-за этого приближения.
2. Дневная сумма радиации на восточном и западном склонах в методике ГГО принимается в первом приближении равной величине ее на ровном месте. Данное приближение устраняет различие между притоком прямой солнечной радиации на восточный и западный склоны. Величина погрешности будет увеличиваться по мере увеличения величины уклонов восточных и западных склонов. Может иметь значительные пространственные масштабы.
3. В методике ГГО используется отношение средних суточных сумм радиации на северном и южном склонах к суммам на ровном месте в зависимости от широты. Данные приведены для уклонов 5° и 10°. Величины для промежуточных уклонов определяются интерполяцией. Данная интерполяция коэффициентов является трудоемким процессом для непрерывных полей уклонов местности. В связи с этим приходится вводить определенные дискретные значения уклонов, так происходит потеря определенной доли пространственной информации, и величина погрешности будет зависеть от интервала определения углов на карте местности.
4. В методике ГГО участки, имеющие крутизну менее 2°, относятся к ровным местам. Это приближение аналогично по своей сути предыдущему. За счет этого также теряется пространственная информация.
50,0% 45,0% 40,0% 35,0% 30,0% 25,0% 20,0% 15,0% 10,0% 5,0% 0,0%
О о.
с
20 марта
21 июня
21 декабря 4,21 10,9 8,47 7,32 11,8 9,60 1,97 0,96 4,09 8,14 8,14 7,59 6,50 7,86 5,29
Рис. 3. Пространственная статистика (в % от занимаемой площади) притока прямой солнечной радиации относительно горизонтальной поверхности (доли единицы)
Из рис. 3 видно, что наибольшие различия в относительном притоке солнечной радиации на участки с различными уклонами наблюдаются в зимний период. Так, примерно 10 % территории по-
лучает солнечной радиации в два и более раза больше по сравнению с ровной поверхностью (правая часть диаграммы). Но также отмечаются участки площадью более 15 %, практически не получающие радиации (2 левые колонки диаграммы). В связи с таким распределением притока среднее количество прямой радиации на 11 % больше, чем для ровного участка местности (табл. 3). Таким образом, именно в этот период влияния рельефа на относительный приток прямой солнечной радиации должно проявляться в максимальной степени.
Расчеты также показывают, что в середине лета разность в притоке тепла на склоны и ровное место невелика. Пространственные различия в относительном притоке минимальны, относительный коэффициент находится в пределах (0,85; 1,2).
Ранней весной и поздней осенью, по мере уменьшения высоты солнца, минимальные значения которой отмечаются в зимний период, увеличивается и разность притока тепла.
Таблица 3
Пространственная статистика притока прямой солнечной радиации относительно горизонтальной поверхности (доли единицы)
Относительные изменения прямой радиации (в долях единицы от радиации на горизонтальную поверхность) Площади участков склонов, %
20 марта 21 июня 21 декабря
без освещения 4,21
0-0,2 10,99
0,2-0,4 8,47
0,4-0,6 7,32
0,6-0,7 0,04 11,87
0,7-0,8 14,35
0,8-0,85 16,02 11,57
0,85-0,9 7,97
0,9-0,95 24,01 20,44
0,95-1,0 26,02
1,0-1,05 14,00 17,24 5,05
1,05-1,1 20,75
1,1-1,2 15,33 7,57
1,2-1,3 13,64 8,14
1,3-1,4 2,60
1,4-1,6 7,59
1,6-1,8 6,50
1,8-2,0 7,86
2,0-2,2 5,29
2,2-2,4 3,95
2,4-2,6 1,18
Среднее количество прямой радиации (%) 99 % 100 % 111 %
Оценка особенностей определения дифференциального альбедо застройки и естественных поверхностей. Немаловажным аспектом учета поступления прямой солнечной радиации является учет как дифференциального, так и среднего альбедо местности. Фактором, определяющим размер тепловых ресурсов деятельного слоя и, как следствие, влияющим на размер потоков явного и скрытого тепла и собственное излучение земной поверхности, является альбедо (А) - свойство деятельной поверхности отражать приходящую к ней солнечную радиацию. Эта величина в условиях урбанизированных территорий претерпевает значительные изменения. Так, для Москвы летом расчетная величина альбедо может изменяться от 6 до 22 % [19].
Методика по дешифровке и определению дифференциального альбедо подробно описана в [8]. Дальнейшее развитие идеи оценки потоков радиации - введение слоя А, которое позволит оценивать влияние антропогенно-измененных ландшафтов, то есть учет влияния различных преобразований поверхности человеком и влияния застройки на радиационный режим.
2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Расчет потоков коротковолновой радиации. Данный этап работы базируется на операциях с растровыми слоями - растровой алгебре в соответствии с формулами (1)-(5). Исходными параметрами при расчетах являются широта местности и временной период. Временной период может быть выбран любой: как широкий сезонный диапазон, в котором могут быть использованы интегральные характеристики продолжительности солнечного сияния на всем временном промежутке расчета, так и точечные расчеты для конкретного дня и астрономического времени суток.
В соответствии с поставленной задачей вычисления проводились для безоблачной атмосферы для четырех дат (20 марта / 22 сентября, 21 июня, 21 декабря).
Оперирование выражениями растровой алгебры можно производить как непосредственно без построения дополнительных слоев карт, так и со всеми промежуточными расчетами для большей наглядности и контроля результата (рис. 4).
Необходимый слой R1 (безоблачное состояние) представляет собой значение солнечной постоянной с учетом широты местности. Таким образом, умножение слоев L и R1 покажет максимально возможные значения притока солнечной радиации для данного типа местности, то есть с учетом орографии.
Рис. 4. Изменение прямой солнечной радиации в астрономический полдень, 21 июня (доли единицы
от радиации на ровном месте)
Анализируя полученные данные с позиций энергопотенциала территории, целесообразно воспользоваться критериями Б.П. Вейнберга, который одним из первых уделил внимание проблеме использования солнечной радиации [20]. Так, солнечная радиация может считаться «технически приемлемой», а энергопотенциал территории достаточным с того момента, когда ее интенсивность (5*) достигает 0,42 кВт/м2. Превышение данного ориентира будет свидетельствовать об определенной энергетической обеспеченности данных типов рельефа территории. При оценке гелиоэнергетического ресурса территории важно учитывать суммарную продолжительность солнечного сияния, годовую сумму суммарной и прямой радиации, среднюю суточную сумму суммарной радиации за теплый период и другие характеристики [21]. Что касается рельефа местности, то выделение зон с наложением поправок на необходимый уклон местности будет являться подготовкой к дальнейшим техническим изысканиям. Стоит отметить принципиальную необходимость проведения дальнейших оценочных мероприятий с учетом функции поглощения и облачных характеристик.
Так, из табл. 4 видно, что среднее значение притока для зимы ниже необходимых минимумов использования. Осенне-зимние показатели свидетельствуют о превышении обозначенного аналитического критерия на 71 %, таким образом, энергетическая обеспеченность в данный период достаточная с учетом безоблачного неба. Летом отмечается превышение на 166 %, для данного района такая обеспеченность максимальна.
Как было показано нами ранее [7], осреднение пространственного распределения притока солнечной радиации приводит к потере микроклиматической информации. Следовательно, средние характеристики количества прямой солнечной радиации (кВт/м2) справедливы только для относительно однородных участков территории. Таким образом, для исследуемого района такие характеристики не показательны. Так, для зимнего периода, исходя из среднего показателя, энергетическая обеспеченность недостаточна, но пространственные данные показывают, что возможно выделение участков с обеспеченностью до 0,6 кВт/м2. Суммарный процент территории для зимнего периода с достаточной обеспеченностью составляет 11,33 % от района. Весной максимум приходится на диапазон 0,6-0,7 кВт/м2. Летом же максимум отмечается в пределах 1,0 кВт/м2. Примечательно, что в летний период вся территория получает солнечной радиации более 0,9 кВт/м2 (рис. 5).
Таблица 4
Пространственная статистика притока прямой солнечной радиации на участки различной освещенности (кВт/м2)
Градации поступления радиации (кВт/м2) Площади участков склонов, %
20 марта 21 июня 21 декабря
без освещения 4,21
0,0-0,1 22,65
0,1-0,2 27,57
0,2-0,3 16,11
0,3-0,4 18,13
0,4-0,5 11,28
0,5-0,6 19,93 0,05
0,6-0,7 27,68
0,7-0,8 21,11
0,8-0,9 22,30
0,9-1,0 8,97 5,56
1,0-1,1 38,72
1,1-1,2 35,57
1,2-1,3 20,16
Среднее количество прямой радиации (кВт/м ) 0,72 кВт/м2 1,12 кВт/м2 0,21 кВт/м2
X
ш ^
о а
45,0% 40,0% 35,0%% 30,0% 25,0%% 20,0%% 15,0%% 10,0%% 5,0% 0,0%
■ |||ИМк
Б/осв ещ.
0,00,1
0,10,2
0,20,3
0,30,4
0,40,5
0,50,6
0,60,7
0,70,8
0,80,9
0,91,0
1,01,1
1
1,11,2
1,21,3
20 марта
19,9
27,6
21,1
22,3
8,97
21 июня
5,56
38,7
35,5
20,1
21 декабря
4,21
22,6
27,5
16,1
18,1
11,2
0,05
Рис. 5. Пространственная статистика (в % от занимаемой площади) притока прямой солнечной радиации на участки различной освещенности (кВт/м2)
132_В.А. Шкляев, СВ. Исаков_
2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Проведенный анализ позволяет выявить оптимальные участки с максимальной энергетической обеспеченностью, а совмещение данных слоев карт со слоем уклонов выявит оптимальные проектные территории как для последующей застройки, так и других технических изысканий.
Заключение
Получены количественные данные пространственной статистики притока солнечной радиации при различных исходных параметрах. Было показано, что экспозиция склонов играет существенную роль в нагревании поверхности за счет поступающей солнечной радиации.
Выявлено, что для рассматриваемой территории приток солнечной радиации в зимний период является недостаточным для использования в технических целях даже без учета поглощения компонентами атмосфера, а также без учета облачности. В то же время поступление прямой солнечной радиации при расчетных условиях значительно выше необходимых минимумов энергетической обеспеченности. Авторами предполагается, что даже при учете поглощения атмосферой минимумы энергетической обеспеченности будут превышаться. Таким образом, использование солнечной радиации для рассматриваемых территориальных условий целесообразно только в локальных масштабах в летний период.
Выполнен расчет относительного притока прямой солнечной радиации по методике ГГО, скорректированный с использованием ГИС-технологий. Предложен вариант расчетов потоков солнечной радиации для реализации в геоинформационной среде. Так, в ходе оценки методики Главной геофизической обсерватории и расчетов, реализованных в геоинформационной среде, получились сопоставимые результаты.
Результаты полученного исследования могут рассматриваться как базовый предварительный расчет для оценки энергетической обеспеченности. В качестве дальнейшего направления следует учитывать вариации количества облачности, как во времени так и в пространстве либо использовать данные о продолжительности солнечного сияния. В процессе работы были построены трехмерные модели территорий, которые дают возможность оценить степень антропогенного воздействия путем учета дешифрированных слоев со значениями альбедо.
Таким образом, совершенствование существующих методик и объединение их для комплексного анализа обуславливает возможности их широкого применения на практике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кондратьев К.Я. Актинометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 69G с.
2. Кондратьев К.Я. Лучистая энергия Солнца / под ред. П.Н. Тверского. Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 6GG с.
3. Kondratyev K.Ya. Radiation in the atmosphere. N.Y.: Academic Press, 1969. 912 p.
4. Поток энергии солнца и его изменения / под ред. О. Уайта. М.: Мир, 1980. 558 с.
5. Гуди Р.М. Атмосферная радиация / под ред. К.Я. Кондратьева. М.: Мир, 1966. 522 с.
6. Зуев В.Е., Титов Г.А. Оптика атмосферы и климат. Томск: Изд-во «Спектр» Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 1996. 271 с.
7. Исаков С.В., Шкляев В.А. Оценка поступления солнечной радиации на естественные поверхности с применением геоинформационных систем // Географический вестн. 2012. № 1. С. 72-80.
8. Исаков С.В., Шкляев В.А. Применение карт дифференциального альбедо для оценки теплового эффекта «городского острова тепла» с использованием геоинформационных систем // Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края: сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Пермск. ун-та, 2011. С. 59-64.
9. Городецкий А.К. Задачи и методики зондирования атмосферы при наземных измерениях Фурье-спектрометром в ИК-диапазоне. URL: http://fora.adygnet.ru/?2000 (дата обращения i0.i0.20i2).
10. Sen Z. Solar energy fundamentals and modeling techniques. London: Springer, 2008. 276 p.
11. Fu P. A Geometric Solar Radiation Model with Applications in Landscape Ecology. Ph.D. Thesis, Department of Geography, University of Kansas, Lawrence, Kansas, USA. 2000. P. 53.
12. Fu P., Rich P.M. The Solar Analyst 1.0 Manual. Helios Environmental Modeling Institute (HEMI), USA. 2000.
13. Dubayah R., Rich P.M. GIS-based solar radiation modeling. In: M.F. Goodchild, L.T. Steyaert, B.O. Parks, C. Johnston, D. Maidment, M. Crane, S. Glendinning (eds). GIS and Environmental Modeling: Progress and Research Issues. GIS World Books. Fort Collins, CO. 1996. Р. 129-134.
14. Rich P.M., Hetrick W.A., Saving S.C. Modeling Topographic Influences on Solar Radiation: a manual for the Solar-flux model. Los Alamos National Laboratory Report LA-12989-M. 1995. P. 93.
15. Гольцберг И.А Методические указания по производству микроклиматических обследований в период изысканий. Л.: Гидрометиздат, 1969. 63 с.
16. Исаков С.В., Шкляев В.А. Применение ГИС-технологий при производстве микроклиматических исследований // Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края: сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Пермск. ун-та, 2010. С. 115-120.
17. Гольберг М.А. Особенности возможного и действительного прихода прямой радиации к склонам и стенам в Белоруссии // Научные сообщения. Вильнюс: Ин-т геол. и геогр. АН ЛитССР, 1962. Т. 13. С. 369-378.
18. Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Федорова М.П. Радиационный режим наклонных поверхностей. Л.: Гид-рометиздат, 1978. 170 с.
19. Справочник эколого-климатических характеристик Москвы / под ред. А.А.Исаева. Прикладные характеристики климата, мониторинг загрязнения атмосферы, опасные явления, ожидаемые тенденции в XXI веке. М.: Географический ф-т МГУ, 2005. Т. 2. 411 с.
20. Вейнберг Б.П. Опыт климатологических характеристик района для удовлетворения запросов гелиотехники // Метеорол. вестн. 1933. № 1-2. С. 35-38.
21. Энциклопедия климатических ресурсов Российской Федерации /под ред. Н.В. Кобышевой, К.Ш. Хайрулли-на. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 320 с.
Поступила в редакцию 13.07.13
V.A. Shklyaev, S. V. Isakov
ASSESSING THE BALANCE OF SHORTWAVE RADIATION TERRITORY WITH THE USE OF GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS
The article discusses possible evaluations of microclimatic characteristics of the area according to the balance of shortwave radiation. The authors take into account peculiarities of the underlying surface, terrain, different types of urbanized areas, affecting the value of albedo. They compare the traditional methods of evaluation and analysis of geographic information with the method of the study. The causes of discrepancies between the results of calculations by using these methods are considered. They include errors in creating maps due to using only four exposures slopes, the absence of the necessary quality in the account of incoming radiation on the eastern and western slopes depending on the slope angle, a small number of grades slope angles. An estimate of the solar power potential of the territory illustrated by the example of one district of the city is given. It is shown that in winter direct solar radiation is below the required minimum energy security, and during the remaining period it may substantially exceed them.
Keywords: microclimate, solar radiation, the energy potential, geographic information systems.
Шкляев Владимир Александрович, кандидат географических наук, доцент кафедры метеорологии и охраны атмосферы E-mail: [email protected]
Исаков Сергей Викторович,
аспирант кафедры метеорологии и охраны атмосферы E-mail: [email protected]
ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» 614990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15
Shklyaev V.A., Candidate of Geography, Associate Professor of Department of meteorology and protection of atmosphere E-mail: [email protected]
Isakov S.V., postgraduate student of Department of meteorology and protection of atmosphere E-mail: [email protected]
Perm State National Research University Bukireva st., 15, Perm, Russia, 614990
