Resources of solar radiation in the Aktru mountainous-glacial basin (Altay).pdf Введение В настоящее время большое внимание уделяется проблеме возможных последствий современного потепления климата для ландшафтов, почвы, ледников, биоразнообразия. Это вызывает большой интерес ученых разных стран. Для оценки влияния изменений климата и выработки стратегии адаптации экосистем к этим изменениям необходимо проведение мониторинга климатических изменений, требующего длительного периода наблюдений. Солнечная радиация - одна из наиболее важных составляющих формирования не только климата, но и жизни на Земле. Все процессы, происходящие в системе «Земля-атмосфера», неразрывно связаны с этим фактором климата. Однако изменения солнечной радиации изучены значительно меньше, чем изменения температуры и осадков, особенно в горных районах. Это связано прежде всего с относительно короткими рядами наблюдений за солнечной радиацией и малым количеством актинометрических станций. В настоящее время увеличивается интерес к изучению горных стран, что связано с усиливающимся процессом освоения горных территорий. особый интерес вызывает сохранение биоразнообразия в горных районах Алтая в связи с современными климатическими изменениями. Целью настоящего исследования является изучение динамики солнечной радиации в горно-ледниковом бассейне Актру на Алтае. Материалы и методика исследования Материалом для исследования послужили данные о месячных и годовых суммах суммарной, прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, и рассеянной солнечной радиации на метеорологической станции Актру за период с 1974 по 1985 г. Выбранный период исследования объясняется тем, что в другие годы круглогодичные актинометрические наблюдения на станции не проводились. Для приведения сравнительно короткого ряда наблюдений за солнечной радиацией на станции Актру к длинному периоду использованы данные о месячных и годовых суммах суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации на акти-нометрической станции Кош-Агач за период с 1965 по 2011 г. Были рассчитаны основные статистические характеристики по имеющимся исходным материалам, использованы корреляционный и регрессионный анализы. По данным о месячных и годовых суммах прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации рассчитаны следующие статистические показатели: среднее арифметическое, погрешность среднего значения, среднее квадратическое отклонение, его погрешность, коэффициент вариации, минимальные и максимальные значения. Для исследования взаимосвязи между суммами прямой и суммарной солнечной радиации на станциях Актру и Кош-Агач применены линейный регрессионный анализ и корреляционный анализ. Для оценки тесноты линейной зависимости между указанными характеристиками использован парный коэффициент корреляции. Для оценки временных изменений месячных и годовых сумм прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации рассчитаны их линейные тренды. Оценка статистической значимости коэффициентов корреляции и коэффициентов уравнений линейных трендов проведена с помощью t-критерия Стьюдента. Исследуемая территория интересна тем, что метеостанция Актру расположена в репрезентативном горно-ледниковом бассейне, каких на Алтае много, Кош-Агач - единственная актинометрическая станция в Республике Алтай. Уникальность станции Актру заключается в том, что здесь накоплены богатый опыт исследований и результаты длительных метеорологических, гидрологических наблюдений, а также наблюдений за состоянием ледников, прилегающих ландшафтов и экосистем. На территории горно-ледникового бассейна Актру уже более 50 лет работает высокогорная исследовательская станция Томского государственного университета, основанная профессором, выдающимся ученым, создателем школы гляциоклиматологии М.В. Троновым. Комплексные гляциологические, гидрологические и метеорологические наблюдения в бассейне Актру начались в период проведения программы «Международный геофизический год» (1956-1957 гг.). В последующий период выполнялись «Международная гидрологическая программа», «Международная программа колебания ледников» и ряд других. В 2011 г. станция Актру получила статус наблюдателя в сетевом проекте Европейского союза INTERACT («International Network for Terrestrial Research and Monitoring in the Arctic»). Бассейн Актру расположен в юго-восточной части Республики Алтай в восточной части горного узла Биш-Иирду на северном склоне Северо-Чуйского хребта Центрального Алтая. Станция Актру находится в горно-ледниковом бассейне Актру в глубокой долине на высоте 2150 м и имеет координаты 50° 05' с.ш. и 81° 49' в.д. Долина Актру ориентирована с юго-запада на северо-восток. Ширина долины около 300 м. Слева и справа располагаются крутые склоны. Высота отрогов горных хребтов 900-1500 м над уровнем станции. Станция Актру расположена на левом берегу р. Актру на ровной галечниковой площадке. Метеостанция Кош-Агач расположена на юго-востоке Республики Алтай в широкой межгорной котловине в Чуйской степи на высоте П58 м, ее координаты 50° 01' с.ш. и 88° 41' в.д. Высота окружающих хребтов 600-800 м над уровнем станции. Результаты исследования и обсуждение Приход солнечной радиации, поступающей на земную поверхность, зависит от широты места, высоты солнца над горизонтом, прозрачности атмосферы, наличия облачности, влияния рельефа и закрытости горизонта. На станции Актру отмечается значительный приход солнечной радиации. Годовые суммы суммарной солнечной радиации в среднем составляют 4205 МДж/м2, прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, -2146 МДж/м2, рассеянной радиации - 2059 МДж/м2. Однако эти значения меньше, чем на станции Кош-Агач, расположенной на 392 м ниже, что связано с большей закрытостью горизонта на станции Актру. Известно, что в горах возможные суммы (при отсутствии облачности и полной открытости горизонта) прямой радиации с высотой увеличиваются [1]. Действительные суммы прямой радиации зависят от закрытости горизонта и облачности. Облачность снижает приход солнечной радиации: годовые суммы прямой солнечной радиации при средних условиях облачности на станции Актру уменьшены на 51% по сравнению с прямой радиацией при ясном небе (по данным [2]). При сравнении месячных и годовых сумм суммарной радиации на станции Актру при безоблачном небе и при действительных условиях облачности видно, что наблюдается уменьшение суммарной радиации вследствие влияния облачности по сравнению с суммарной радиацией при ясном небе [2]. Суммарная радиация при средних условиях облачности составляет примерно И% от суммарной радиации при безоблачном небе. При сравнении суммарной радиации при ясном небе на станции Актру и на широте 50° с.ш. в Азиатской части России [3] было обнаружено, что в теплое полугодие (с апреля по сентябрь) суммарная радиация при ясном небе в Актру больше, чем на широте 50° с.ш. в Азиатской части России. Это объясняется более высоким положением станции Актру. В холодный период наблюдается обратное соотношение. Суммы суммарной радиации на станции Актру меньше возможных сумм на широте 50° с.ш. в 1,6 раза. Это связано с большой закрытостью горизонта станции Актру (станция окружена с трех сторон высокими горами) и низким положением солнца. Вклад прямой радиации в суммарную солнечную радиацию на станции Актру больше в теплый период (52,2-54,8%) и меньше - в холодный (0-36,5%). По данным о многолетних средних месячных суммах прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации на станции Актру наблюдается простой годовой ход с одним максимумом и одним минимумом (рис. 1). / / / / ч / \ -Q у_; \ - -D / ^ - \ ---S' / ^ V ч / . / / ^ X \ МДж/м2 700 600 - 500 400 300 -\ 200 100 ч^ Л ТО Л tD ^н о О CQ & ^ & 2 ^ н^ « I < s s Рис. 1. Годовой ход прямой (S'), рассеянной (D) и суммарной (Q) солнечной радиации на станции Актру Наступление максимума прямой и суммарной радиации наблюдается в мае, рассеянной - в июне. Увеличение прихода солнечной радиации в годовом ходе связано в основном с увеличением высоты солнца и продолжительности дня, а убывание - с их уменьшением. Смещение максимума прямой и суммарной радиации на май объясняется увеличением облачности в июне - июле. Минимальные значения суммарной и рассеянной радиации зафиксированы в декабре. Приход прямой радиации в декабре и январе уменьшается до нуля, так как солнце не поднимается над гребнями гор. Исследование межгодовой изменчивости месячных сумм прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации показало, что средние квадратические отклонения имеют наименьшие значения в холодный период. Наибольшая изменчивость месячных сумм указанных видов радиации отмечается летом. Средние квадратические отклонения сумм прямой радиации колеблются от 12,6 МДж/м2 в ноябре до 79,4 МДж/м2 в июне, сумм рассеянной радиации - от 8,2 МДж/м2 в январе до 57,0 МДж/м2 в июне, сумм суммарной радиации - от 8,3 МДж/м2 в январе до 57,3 МДж/м2 в июле. Среднее квадратическое отклонение годовых сумм прямой радиации составляет 157,4 МДж/м2, рассеянной радиации - 132,0 МДж/м2, суммарной радиации - 108,5 МДж/м2. Наиболее изменчивой является прямая радиация. Её приход зависит от состояния диска Солнца и наличия облачности. Летом прямая радиация наибольшая в случае отсутствия облаков на диске Солнца и в зоне радиусом 5° вокруг него. В случае сплошной облачности прямая радиация будет отсутствовать. Этим объясняется большое среднее квадратическое отклонение сумм суммарной радиации в летнее время. Зимой высота Солнца небольшая, следовательно, прямая радиация будет мала, поэтому значения средних квадрати-ческих отклонений месячных сумм радиации тоже невелики. Значения сумм прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации на станции Актру сильно различаются от года к году. Самые большие колебания сумм рассматриваемых видов солнечной радиации наблюдаются в летние месяцы, наименьшие - в зимние. В табл. 1 приведены минимальные и максимальные значения прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации на станции Актру за период 1974-1985 гг. Месяц Таблица 1. Минимальные и максимальные значения солнечной радиации на станции Актру, МДж/м2 Вид солнечной радиации Абсолютный максимум Абсолютный минимум 37 декабрь 1980 г. 0 декабрь - январь каждого года 37 декабрь 1980 г. Между приходом солнечной радиации на станциях Актру и Кош-Агач были получены тесные линейные зависимости, которые позволили привести месячные суммы прямой и суммарной солнечной радиации на станции Актру к длинному периоду. Тесноту связи показывают высокие парные коэффициенты корреляции (0,72-0,96) между суммами прямой и суммарной солнечной радиации на станциях Актру и Кош-Агач (табл. 2). Таблица 2. Значения коэффициентов корреляции между суммами суммарной солнечной радиации и суммами прямой солнечной радиации на станциях Актру и Кош-Агач Коэффициент корреляции Вид солнечной радиации теплый период холодный период (апрель - сентябрь) (октябрь - март) Суммарная 0,89 0,96 Прямая 0,72 0,90 Проверка коэффициентов корреляции на значимость относительно нуля по таблице, приведенной в [4], показала, что рассчитанные коэффициенты корреляции больше критического значения 0,23, т.е. коэффициенты корреляции статистически значимы на уровне значимости 0,05. Погрешность коэффициентов корреляции мала и составляет 0,01-0,06. Выборочный порог достоверности коэффициентов корреляции изменяется в пределах 12-96. Он существенно больше табличного значения t-критерия Стьюдента на уровнях значимости 0,05 и 0,01. Это говорит о том, что коэффициенты корреляции надежно отражают зависимость коррелируемых признаков. Для получения длинного ряда месячных и годовых сумм рассеянной солнечной радиации их значения были рассчитаны как разность между суммарной и прямой солнечной радиацией, поступающей на горизонтальную поверхность. На основе рассчитанного длинного ряда сумм прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации на станции Актру был проведен анализ линейных трендов этих видов солнечной радиации. Коэффициенты наклона линейных трендов прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации показали, что на станции Актру (как и на станции Кош-Агач) в период 1965-2011 гг. наблюдается тенденция к уменьшению их месячных и годовых сумм. Скорость уменьшения годовых сумм суммарной солнечной радиации на станции Актру составляет 7,65 МДж/м1за 10 лет, прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, - 1,5 МДж/м2 за 10 лет, рассеянной радиации - 3,0 МДж/м2 за 10 лет. На станции Кош-Агач скорость уменьшения суммарной солнечной радиации - 8,6 МДж/м2 за 10 лет, прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, - 4,8 МДж/м2 за 10 лет, рассеянной радиации - 2,5 МДж/м2 за 10 лет. Коэффициенты наклона линейных трендов месячных и годовых сумм прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации статистически не значимы на уровне значимости 0,05, т.е. изменения солнечной радиации находились в пределах ее естественной изменчивости. Аналогичный вывод был получен и за более ранний период на станции Кош-Агач [5]. 721 май 1974 г. 465 май 1974 г. 352 июнь 1985 г. Суммарная Прямая Рассеянная однако даже небольшие изменения сумм солнечной радиации могут сказаться на общем приходе коротковолновой радиации к земной поверхности, что в итоге может повлиять на различные природные процессы, например на развитие и химический состав отдельных видов растений, так как живые организмы чутко реагируют на изменение солнечной радиации. Тенденция к уменьшению годовых сумм прямой и суммарной солнечной радиации носит не только локальный характер. Такая тенденция отмечена и в других районах, например Москве [6], на большей части территории Предбайкалья [7]. Полученные выводы об уменьшении сумм рассеянной радиации в юго-восточной части Горного Алтая сходны с выводами Н.Н. Густокашиной для отдельных станций Предбайкалья [7]. Однако тенденция к уменьшению прихода рассеянной солнечной радиации не характерна для Москвы, где для годовых сумм рассеянной радиации тренд отсутствует [6]. Заключение Проведенное исследование показало, что в долине Актру отмечается значительный приход солнечной радиации. Полученные результаты исследования могут быть использованы для оценки возможности применения солнечной радиации как альтернативного источника энергии для снабжения электроэнергией туристических баз и баз отдыха, для оценки благоприятных условий в рассматриваемом районе для развития различных видов рекреации и планирования турист-ско-рекреационной деятельности. Для выявления влияния изменения прихода солнечной радиации на изменения температуры воздуха, таяние ледников, растительность, почвы и другие природные ресурсы необходимы совместные исследования климатологов, гляциологов, биологов. Для изучения изменения климата в горно-ледниковом бассейне Актру нужна организация рациональной сети пунктов метеорологических и актинометриче-ских наблюдений на различных высотах, в разных формах рельефа и на разных подстилающих поверхностях. Для того чтобы оценить в полной мере изменения, происходящие с компонентами окружающей среды в связи с изменениями климата, необходимо продолжать наблюдения за состоянием атмосферы и солнечной радиацией в частности.

Скачать электронную версию публикации