Radiation factors climate formation in the Altai-Sayan mountain region in modern climate change period.pdf Введение Горные районы Южной Сибири играют большую роль в хозяйственной жизни России. Они характеризуются высокой концентрацией запасов полезных ископаемых и других природных ресурсов. Климатические ресурсы, в частности тепла и влаги, создают перспективные возможности развития сельского хозяйства, особенно животноводства. В низкогорных районах климатические условия позволяют выращивать разнообразные сельскохозяйственные культуры. До настоящего времени режим солнечной радиации в горных районах Сибири изучен недостаточно. В обобщающих работах по радиационному климату России и сопредельных государств [Пивоварова, 1977; Атлас..., 1997; Научно-прикладной..., 1990, 1993] использованы материалы наблюдений по 1980 г. Приведенные в монографических изданиях карты потоков лучистой энергии характеризуют лишь фоновое распределение радиации на равнинной территории России до высоты 800 м над уровнем моря. В горных районах действует крайне редкая сеть актинометри-ческих станций. Для характеристики режима солнечной радиации в Алтае-Саянской горной области использованы материалы многолетних наблюдений (19652015 гг.) актинометрических станций в Саянах, на Алтае и на ближайших актинометрических станциях, расположенных на равнине. Дополнительно использовались результаты экспедиционных акти-нометрических наблюдений в горноледниковых бассейнах Актру (Северо-Чуйский хребет), Мульты (Катунский хребет), опубликованных в разрозненных научных трудах [Тронов и др., 1965; Голещи-хин, 1985; Ледники Актру, 1987; Севастьянов, 2009; Природные., 2018 и др.]. Перспективы дальнейшего освоения горных территорий требуют учета их климатических ресурсов для наиболее рационального и эффективного использования в хозяйственной деятельности. В современный период особенно актуальным становится использование возобновляемых источников энергии, в частности гелиоэнергетики, для чего необходима оценка региональных потенциальных ресурсов солнечной радиации. Используемый материал и методика исследования Материалом для исследования потоков лучистой энергии в Алтае-Саянской горной области послужили данные из следующих источников: - из актинометрических ежемесячников; - из архива актинометрических данных ЗападноСибирского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Новосибирск); - из архивов актинометрических наблюдений Главной геофизической обсерватории (г. Санкт-Петербург); - из материалов из справочников по климату СССР [Справочник по климату., 1965-1970] и научно-прикладных справочников по климату СССР [Научно-прикладной справочник., 1990-1993]; - из результатов метеорологических и актиномет-рических наблюдений Алтайских гляциологических экспедиций в бассейне Актру (Северо-Чуйский хребет) в период проведения работ по программам Международный Геофизический Год (МГГ), Международное Гидрологическое Десятилетие (МГД), Международная Гидрологическая Программа (МГП) и в долинах Мульты, Аккема, Кочурлы (Катунский хребет). Список актинометрических станций и экспедиционных пунктов наблюдений приведен в табл. 1. © Севастьянов В.В., 2020 DOI: 10.17223/25421379/14/8 Таблица 1 Актинометрические станции в пределах Алтае-Саянской горной области Table 1 Actinometric stations within the Altai-Sayan mountain region Станции Широта северная, градусы Долгота восточная, градусы Высота над уровнем моря, м Местоположение Хакасская 53,8 91,5 250 Минусинская котловина Кызыл 51,7 94,4 626 Тувинская котловина Хомутово 52,5 104,4 454 Восточные Саяны Ильчир 52,1 101,1 2083 Восточные Саяны Кузедеево 53,3 87,2 291 Горная Шория Кош-Агач 50,0 88,6 1758 Чуйская котловина Буран 48,0 85,2 409 Зайсанская котловина Актру 50,1 87,7 2150 Северо-Чуйский хребет Мульта 49,7 86,0 1750 Катунский хребет это определяет необходимость учета влияния большого числа факторов, влияющих на радиационный режим в горных условиях Сибири. Прозрачность атмосферы Одним из важнейших показателей, характеризующих режим солнечной радиации, является прозрачность атмосферы. Изменение прозрачности атмосферы влияет на интенсивность солнечной радиации, изменчивость ее суточных, месячных и годовых сумм, которые подвержены как периодическим, так и непериодическим колебаниям. Вопросу изучения прозрачности атмосферы в Алтае-Саянской области посвящено очень мало работ [Ревякин и др., 1979; Го-лещихин, 1985; Севастьянова, Никольченко, 2012]. Средние многолетние за месяц и за год величины коэффициента прозрачности атмосферы на Алтае и в Саянах показаны в табл. 2. Таблица 2 Коэффициенты прозрачности атмосферы (Р) в полдень, при солнечной постоянной (S0), равной 1,37 кВт/м2. Масса атмосферы равна 2 В работе использованы современные методы климатической обработки показателей солнечной радиации, методы математической статистики, регрессионного и корреляционного анализа. Оценивались показатели статистической значимости коэффициентов корреляции относительно нуля, коэффициентов линейных трендов сумм солнечной радиации и радиационного баланса с помощью t-критерия Стью-дента. Обсуждение результатов Солнечная радиация практически определяет развитие всех процессов, происходящих в географической оболочке Земли, в том числе и энергетику системы Земля-атмосфера. Солнечная радиация играет огромную роль в жизни растений, без нее невозможно выяснить генезис высотно-ландшафтных поясов, режим и динамику снежно-ледовых образований. Все Table 2 Atmospheric transparency coefficients (P) at noon, at the solar constant (S0), equal to 1,37 kW/m2. The mass of the atmosphere is 2 Станции Высота, м Месяц Среднее за год I IV VII X Хакасская 250 0,728 0,756 0,721 0,779 0,746 Ильчир 2083 0,822 0,766 0,730 0,802 0,781 Кызыл 626 0,795 0,782 0,735 0,798 0,778 Кош-Агач 1757 0,820 0,792 0,765 0,807 0,799 Буран 409 0,801 0,779 0,759 0,810 0,786 Хомутово 454 0,822 0,764 0,750 0,799 0,783 Мульта 1750 0,829 0,773 0,778 0,829 0,803 Рсред, 50° 0,805 0,759 0,757 0,785 0,775 Из анализа таблицы следует, что на всех горных станциях коэффициент прозрачности воздуха принимает максимальные значения в зимние месяцы и минимальные - летом. В зимний период максимальная прозрачность атмосферы объясняется низким вла-госодержанием и уменьшенным количеством аэрозолей в воздухе по сравнению с летним периодом. С увеличением высоты увеличивается прозрачность атмосферы, а также отмечается постепенное уменьшение амплитуды годового хода коэффициента прозрачности. Это объясняется уменьшением с высотой доли аэрозольной и влажной составляющих в общем ослаблении солнечной радиации в атмосфере. Отметим, что прозрачность атмосферы в высокогорных районах довольно высока (рис. 1), выше, чем средняя прозрачность (Ро) для северной широты 50°. Другой характеристикой прозрачности атмосферы принят фактор мутности Линке, который отражает соотношение между прозрачностью реальной и «идеальной» атмосферы, в которой ослабление солнечной радиации связано лишь с молекулярным рассеянием [Руководство..., 1973]. Фактор мутности исключает эффект зависимости от массы атмосферы, связанный с избирательностью молекулярного рассеяния, что необходимо учитывать при сравнении прозрачности атмосферы в горных условиях [Кондратьев, 1965]. Этот показатель изменяется в течение года зеркально по отношению к годовому ходу коэффициента прозрачности атмосферы. С увеличением высоты уменьшаются сезонные различия фактора мутности. Его максимум приходится на летние месяцы, когда увеличиваются влагосодержание воздуха и загрязнение пылью и другими аэрозольными частицами. Рис. 1. Годовой ход отношения коэффициента прозрачности (Р) на станциях к средним значениям (Р0), рассчитанным для 50° с.ш., % 1 - Кош-Агач; 2 - Ильчир; 3 - Хакасская Fig. 1. Annual progress of the ratio of the transparency coefficient (P) at stations to the average values (P0) calculated for 50° nl., % 1 - Kosh-Agach; 2 - Ilchir; 3 - Khakasskaya По результатам актинометрических наблюдений на станциях сделан анализ влияния абсолютной высоты местности на общее ослабление солнечной радиации атмосферой. Получены соотношения влияния каждого из ослабляющих компонент, а именно: молекулярного, аэрозольного ослабления и ослабления за счет водяного пара. Величина общего ослабления солнечной радиации определялась по следующей формуле, предложенной в работе [Пивоваро-ва, 1977]: ДЗобщ = ASм + ASв + ASа, (1) где ASм - молекулярное рассеяние, Вт/м2; ASв -ослабление водяным паром, Вт/м2; ASа - ослабление аэрозолями, Вт/м2. Характеристики фактора мутности на станциях Алтае-Саянской горной области приведены в табл. 3. Фактор мутности атмосферы, Т Atmospheric turbidity factor, T Таблица 3 Table 3 Станции Высота, м Месяц Среднее за год I IV VII X Хакасская 250 3,17 2,80 3,27 2,50 2,93 Ильчир 2083 1,94 2,66 3,12 2,22 2,47 Кызыл 626 2,30 2,46 3,08 2,26 2,53 Кош-Агач 1757 1,98 2,34 2,66 2,14 2,24 Буран 409 2,22 2,50 2,76 2,10 2,42 Для оценки общего ослабления солнечной радиации и его составляющих в атмосфере в горных районах Сибири использовались результаты наблюдений за прямой солнечной радиацией. Общее уменьшение солнечной радиации атмосферой ЛЗобщ находилось как разность между величиной солнечной постоянной и измеренными значениями прямой солнечной радиации: ЛSобщ = S0 - S, (2) где S0 - солнечная постоянная, Вт/м2; S - прямая солнечная радиация, поступающая на перпендикулярную поверхность, Вт/м2. Для получения сравнимых показателей на станциях, расположенных на разных высотах, проводилось приведение интенсивности прямой солнечной радиации к одной и той же массе атмосферы (m = 2). Интенсивность прямой солнечной радиации в «идеальной» (чистой и сухой) атмосфере ослабляется лишь за счет рассеяния на молекулах газов. Эта величина ^Sm) составляет 0,22-0,26 кВт/м2 при массе атмосферы, равной 2 [Сивков, 1968; Руководство., 1973; Тепловой., 1985]. Поглощение радиации водяным паром ЛSв рассчитывалось по следующей формуле [Зверева, 1969]: ЛSв = 0,184 • (m •w)0-27 , (3) где m - масса атмосферы; w - количество водяного пара в единичном воздушном столбе (сконденсированная влага), см. Высота слоя сконденсированной воды определялась по формуле [Смирнов, 2017] w = 0,23 • e, (4) где w - слой сконденсированной воды, см; e - парциальное давление водяного пара у поверхности земли, гПа. Влагосодержание атмосферы до уровня 300 гПа определялась по методу, предложенному О.А. Дроздовым [Дроздов, 1966]. Удельная влажность воздуха в атмосфере над горными районами определялась по данным аэрологических наблюдений [Новый аэрологический., 1986]. Аэрозольное ослабление радиации ЛS а находилось как остаточный член из уравнения (1): ЛSа = ЛSобщ - ЛSм - ЛSв, (5) В годовом ходе общего ослабления солнечной радиации ЛSобщ и его составляющих на разных высотах прослеживаются особенности, а также выделяется зависимость от высоты местности (табл. 4). В зимние месяцы на всех актинометрических станциях отмечаются минимальные значения общего ослабления солнечной радиации. В летний период значения ЛSoбщ достигает максимума вследствие увеличения запыленности и влагосодержания атмосферы. В высокогорных районах наблюдаются более резкие различия в поглощении потоков лучистой энергии в зимний и летний сезоны по сравнению с предгорными и низкогорными районами. Таблица 4 Общее ослабление солнечной радиации атмосферой (ДSобщ), Вт/м2 Table 4 General attenuation of solar radiation by the atmosphere (ДSобщ), W/m2 Станции Высота, м Месяцы Среднее за год I IV VII X Хакасская 250 649 593 665 543 614 Ильчир 2083 447 572 6423 495 538 Кызыл 626 510 536 635 503 544 Кош-Агач 1757 450 518 572 482 503 Буран 409 497 545 586 475 524 Поглощение солнечной радиации водяным паром ЛSв уменьшается с высотой местности. Средние значения ЛSв колеблются в пределах 80-210 Вт/м2, уменьшаясь в среднем за год при подъеме на 1,5 км на 14-17% (табл. 5). Значения солнечной радиации, поглощенной водяным паром, зависят от особенностей распределения влагосодержания атмосферы и уменьшаются с высотой от 150 до 120 Вт/м2. Ослабление солнечной радиации водяным паром ^sb), Вт/м2 Attenuation of solar radiation by water vapor ^sb), W/m2 Таблица 5 Table 5 Станции Высота, м Месяцы Среднее за год I IV VII X Хакасская 250 119 155 218 160 171 Ильчир 2083 97 133 188 133 140 Кызыл 626 75 149 207 151 161 Кош-Агач 1757 84 140 181 140 133 Буран 409 112 163 213 161 162 В годовом ходе аэрозольной мутности (АБа) наблюдается асимметрия. Поглощение солнечной радиации аэрозолями осенью меньше, чем весной. Особенностью годового хода аэрозольной мутности в атмосфере в предгорьях является тот факт, что максимальные ее значения фиксируются летом, тогда как в высокогорье максимум мутности отмечается весной. Это связано со значительным вымыванием аэрозоля в горах на больших высотах в летние месяцы, когда выпадает наибольшее количество осадков. Таблица 6 Ослабление солнечной радиации аэрозолями (АSа), Вт/м2 Table 6 Attenuation of solar radiation by aerosols (АSа), W/m2 Станции Высота, м Месяц Среднее за год I IV VII X Хакасская 250 302 202 209 148 207 Ильчир 2083 112 202 217 127 162 Кызыл 626 197 151 192 116 147 Кош-Агач 1757 133 140 155 106 127 Буран 409 146 145 137 78 126 Рис. 2. Ослабление прямой солнечной радиации в атмосфере за счет рассеяния: молекулярного - AS^ водяным паром - АSв, аэрозолями - АSа Fig. 2. Attenuation of direct solar radiation in the atmosphere due to scattering: molecular - ASi^, water vapor - АSв, aerosols - АSв Средние месячные значения и годовое значение аэрозольного помутнения (AS3) на разных станциях приведены в табл. 6. С высотой аэрозольное помутнение значительно уменьшается; в среднем за год при подъеме на 1,5 км оно снижается на 9-11%. Отмечается уменьшение амплитуды аэрозольного помутнения с высотой. Изменение относительной доли ослабляющих радиацию компонентов в общем ослаблении солнечной радиации атмосферой представлено на рис. 2. В среднем за год за счет ослабления на молекулах газов (АБм) солнечная радиация уменьшается в горных районах на 37-53%. С увеличением высоты уменьшаются абсолютные значения, но увеличивается процентный вклад в АБобщ в результате ослабления аэрозольной и влажной составляющих. Доля поглощения солнечной радиации водяным паром (А8в) составляет в среднем за год 24-30% от А8общ, постепенно увеличиваясь в летнее время. Доля солнечной радиации за счет аэрозольного ослабления (AS3) уменьшается от 20 до 30% в течение года. Наименьшее ее влияние приходится на осенний период. Прозрачность атмосферы над Алтае-Саянской горной областью выше, чем в среднем для соответствующих широт в северном полушарии. Это подтверждает приводимые ранее сведения, что над горными районами прозрачность атмосферы выше, чем на той же высоте в свободной атмосфере [Кондратьев, 1965]. Этому способствует увеличенное, как правило, количество осадков в горах по сравнению с равнинами. Осадки способствуют уменьшению количества аэрозолей в атмосфере в горах. Изучение пространственного распределения фактора мутности (Т) в пределах Алтае-Саянской горной области показало, что он большую часть года возрастает с юга на север в среднем на 0,1 на 100 км. Данный факт отличается от выводов, сделанных К.Я. Кондратьевым [Кондратьев, 1965. С. 267], что прозрачность атмосферы понижается к югу. Это связано с тем, что северная часть предгорий Алтае-Саянской горной области более освоена в промышленном отношении, в то время как на юге территории наблюдается сочетание больших абсолютных высот, засушливости климата и ненарушенных комплексов горных ландшафтов. Фактор мутности уменьшается в направлении с запада на восток в среднем на 0,01/100 км по мере увеличения высоты местности. Повышенные значения прозрачности атмосферы в горных районах Алтая и Саян во многом определяют увеличение потенциальных возможностей прихода лучистой энергии. Прямая солнечная радиация Алтае-Саянская горная область располагается между 48-56° с.ш. и характеризуется относительно большой высотой солнца летом (до 66°) и продолжительным светлым временем суток (до 17 ч). Это определяет значительные суммы солнечной радиации в летние месяцы. Зимой приход солнечной радиации значительно меньше (высота солнца только 13-16°). Большие размеры горной страны в направлении с юга на север определяют существенные различия в приходе радиации. Высота солнца в полдень на северной границе горной области на 8° ниже, чем на южной. Широтные различия продолжительности светлого времени суток увеличивают период инсоляции на 1,5-2,0 ч в южных районах горной области по сравнению с северными. Максимальная продолжительность солнечного сияния наблюдается в юго-западных предгорьях Алтая. На ст. Буран отмечается в среднем 2 778 ч за год. Очень много часов солнечного сияния отмечается в высокогорных котловинах юго-восточного Алтая. На ст. Кош-Агач этот показатель равен 2 634 ч [Научно-прикладной., 1993]. Значительно меньшие суммы часов продолжительности солнечного сияния наблюдаются на других горных станциях. Увеличенное количество облачности, разная степень закрытости горизонта на большинстве станций ограничивают продолжительность солнечного сияния за год до 1 800-2 200 ч. Приход прямой солнечной радиации определяется облачностью, степенью закрытости горизонта, прозрачностью атмосферы. Потенциальные возможные годовые суммы прямой радиации при отсутствии облачности на этих широтах могут достигать 5 030-5 870 МДж/м2. При действительной облачности годовые суммы прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность в пределах Алтае-Саянской горной области изменяются в очень больших пределах: от 2 120 до 3 654 МДж/м2 (табл. 7). Наибольшие суммы прямой солнечной радиации наблюдаются на ст. Буран (Зайсанская котловина), наименьшие суммы - в северных предгорьях Саян. В высокогорных котловинах (станция Кош-Агач) также наблюдаются большие суммы прямой радиации, хотя и меньшие, чем в южных предгорьях. На высокогорных станциях (Актру, Ильчир) приход прямой радиации составляет 2 271-2 564 МДж/м2 из-за значительного ослабления ее облачностью и закрытости горизонта. Значительные различия в суммах прямой радиации объясняются не только широтой местности и разностью высот, но и различной продолжительностью солнечного сияния, местными циркуляционными условиями, степенью закрытости горизонта. Для горных районов важным является представление об изменении потоков лучистой энергии с высотой. Использование данных сетевых актинометриче-ских станций для этих целей в большинстве случаев не подходит, так как они расположены довольно редко. Очень ценными в этом отношении являются относительно кратковременные экспедиционные актино-метрические наблюдения. В период экспедиционных работ определялся вертикальный градиент интенсивности прямой солнечной радиации в разных близлежащих пунктах наблюдений с большим перепадом высот в горноледниковом бассейне Актру [Тронов и др., 1965], а также в бассейнах Мульты и Аккема [Голещихин, 1985]. Средняя величина вертикального градиента прямой солнечной радиации составляет около 7 (Вт/м2)/100 м. Величина этого показателя в разных горных районах примерно совпадает и изменяется в пределах точности измерений интенсивности прямой солнечной радиации. Таблица 7 Средние месячные и годовые суммы прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность, МДж/м2 Table 7 Average monthly and annual amounts of direct solar radiation to a horizontal surface, MJ/m2 Станции Высота, м Месяцы Сумма за год I IV VII X Хакасская 250 21 232 382 88 2120 Кузедеево 290 30 240 396 75 2144 Ильчир 2083 86 318 284 167 2564 Кызыл 626 42 313 414 147 2812 Кош-Агач 1757 103 410 462 224 3623 Актру 2150 0 294 341 117 2271 Буран 409 92 385 528 210 3654 Величины вертикальных градиентов годовых сумм прямой радиации имеют ограниченное применение. В литературе, посвященной изучению лучистой энергии в горах, отмечено, что существует большой разброс в величинах этих градиентов. Например, в восточной части Закавказья средняя величина вертикального градиента составляет 40 (МДж/м2)/100 м [Шихлинский, 1966], в Карпатах - 80 (МДж/м2)/100 м [Тепловой..., 1985]. На Алтае и в Саянах в зависимости от выбранных пар станций значения вертикального градиента годовых сумм прямой радиации могут меняться от 15 до 73 (МДж/м2)/100 м. Найти пары станций, расположенных на разных высотах, в сходных условиях рельефа и находящихся близко друг к другу, невозможно при современной плотности сети станций. Поэтому следует отметить ограниченные возможности использования расчетных методов для оценки сумм поступающей прямой солнечной радиации. В реальных условиях необходимо проведение специализированных микроклиматических наблюдений. Рассеянная радиация Вклад рассеянной радиации является существенным в общем поступлении солнечной энергии. В высокогорных областях в среднем за год эта доля составляет около 36-40%. Суммы рассеянной радиации отличаются относительно большой изменчивостью. Максимальные значения рассеянной радиации на большинстве станций наблюдаются в летние месяцы. На высокогорных станциях (Актру, Ильчир) наибольшие ее значения наблюдаются весной. Наименьшие значения рассеянной радиации отмечаются в зимний период (табл. 8). Годовые суммы рассеянной радиации на исследуемой территории изменяются в пределах 1 816-2 432 МДж/м2. Это примерно на 10-20% больше, чем на равнине, что объясняется увеличением облачности в горных условиях. Средние месячные и годовые суммы рассеянной солнечной радиации, МДж/м2 Table 8 Average monthly and annual amounts of scattered solar radiation, MJ/m2 Станции Высота, м Месяцы Сумма за год I IV VII X Хакасская 250 55 212 230 104 1816 Кузедеево 290 73 254 265 113 2108 Ильчир 2083 77 324 287 148 2432 Кызыл 626 85 214 268 126 2148 Кош-Агач 1757 86 236 263 127 2099 Актру 2150 59 261 248 130 2062 Буран 409 93 203 237 115 1962 По мере увеличения высоты местности суммы рассеянной радиации имеют тенденцию к увеличению. Это связано прежде всего с возрастанием степени открытости горизонта, большим количеством облаков на небосводе, более длительным залеганием снежного покрова, которое способствует вторичному отражению потоков лучистой энергии за счет повышенных значений альбедо подстилающей поверхности. Относительно малые значения сумм рассеянной радиации фиксируются в горных котловинах из-за уменьшенной облачности над ними и малых сумм осадков. В котловинах, как правило, наблюдается малая высота снежного покрова. Таблица 8 На интенсивность рассеянной радиации оказывает большое влияние облачность, причем не только количество, но и ее форма. В среднем при ясной погоде величина рассеянной радиации составляет около 10% от величины прямой радиации. При облачности верхнего и среднего ярусов ее величина значительно возрастает, более чем в два раза. При сплошной низкой облачности ее интенсивность вновь уменьшается и лишь немного превышает значения при ясном небе. В ясную погоду при малых значениях рассеянной радиации особенно заметно влияние различной экспозиции склонов на приход солнечной радиации. Наибольшие значения интенсивности рассеянной радиации наблюдаются при наличии облачности и снежного покрова. Они могут достигать в летнее время в условиях высокогорья 630 Вт/м2. В ясные дни интенсивность рассеянной радиации убывает с высотой вследствие уменьшения массы атмосферы и, следовательно, рассеивающих элементов. Такая же закономерность наблюдается на Кавказе [Борзенкова, 1965], в Заилийском Алатау [Ледник Туюксу, 1984] и в других горных странах. Суточные суммы рассеянной радиации колеблются в очень больших пределах: от 4 МДж/м2 в абсолютно ясную или пасмурную ненастную погоду до 17-18 МДж/м2 в дни с облачностью 5-6 баллов. Суммарная радиация Величина сумм суммарной солнечной радиации тесно связана с аналогичными показателями прямой солнечной радиации, так как именно она вносит основной вклад в суммарную. Суммы прямой солнечной радиации имеют большую изменчивость по территории, чем суммы рассеянной радиации. Для Алтае-Саянской горной области доля прямой солнечной радиации составляет 53-64% от величины суммарной радиации. В северных предгорьях Саян это соотношение составляет 46-50%. Средние месячные и годовые суммы суммарной радиации приведены в табл. 9. Таблица 9 Средние месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, МДж/м2 Table 9 Average monthly and annual amounts of total solar radiation, MJ/m2 Станции Высота, м Месяцы Сумма за год I IV VII X Хакасская 250 77 444 612 192 3936 Кузедеево 290 103 494 661 188 4250 Ильчир 2083 163 642 571 315 4790 Кызыл 626 127 556 683 273 4997 Кош-Агач 1757 188 646 725 352 5724 Актру 2150 59 555 589 247 4331 Буран 409 186 585 764 324 5615 Следует отметить, что в высокогорных районах отмечается большая изменчивость сумм суммарной радиации. В горных долинах можно выделить склоны, на которых образуется локальная конвективная или слоистая облачность. Эти участки склонов получают значительно меньше солнечной радиации по сравнению с окружающей территорией. В таких местах уменьшение прихода солнечной радиации благоприятствует сохранению снежников и ледников (например, снежник и ледник Учитель в бассейне Актру), в то время как другие ледники в этом районе отступали [Севастьянов, 1978]. Таблица 1 0 Горизонтальные градиенты месячных сумм суммарной радиации (МДж/м2)/100 км) с запада на восток (А) и с юга на север (В) Horizontal gradients of monthly totals of total radiation (MJ/m2 )/100 km) from west to east (A) and from south to north (B) Table 1 0 Горизонтальные Месяц градиенты Январь Апрель Июль Октябрь Градиент А -9 -13 -20 -16 Градиент В -19 -39 -16 -34 По данным многолетних актинометрических наблюдений были рассчитаны значения градиентов средних месячных сумм суммарной радиации в широтном и меридиональном направлениях. Значения суммарной радиации на разных станциях были приведены к 500 м абсолютной высоты. Горизонтальные градиенты найдены методом наименьших квадратов с учетом корреляционных зависимостей между суммарной радиацией и географическими широтой и долготой. Значения горизонтальных градиентов средних месячных сумм суммарной радиации за центральные месяцы сезонов года приведены в табл. 10. Анализ характеристик полей суммарной радиации показал, что наименьшие значения горизонтального градиента с юга на север наблюдаются в летний период. В июле его величина составляет минус -16 (МДж/м2)/100 км. В январе величина градиента увеличивается до -19 (МДж/м2)/100 км. В переходные сезоны года уменьшение суммарной радиации в направлении с юга на север происходит вдвое быстрее. Значения горизонтального градиента сумм суммарной радиации с запада на восток изменяются в течение года несколько меньше, чем в меридиональном направлении. В течение всего года западные районы Алтае-Саянской горной области получают больше суммарной радиации, чем восточные. Знак «минус» значений градиентов означает убывание сумм суммарной радиации с юга на север и с запада на восток соответственно. Для оценки погрешностей расчетов сравнивались расчетные суммы и действительные значения суммарной радиации по независимым данным. На ст. Кош-Агач средняя величина погрешностей составила около 3% (наибольшая в январе - 6% и минимальная в июле - 0,5%). Это позволяет сделать вывод, что погрешности расчетов не превышают точности измерений. В высокогорных долинах Актру и Мульты действительные величины суммарной радиации на 2535% меньше, чем расчетные. Завышенные результаты расчетных сумм суммарной радиации в долинах закономерны в связи с увеличенным количеством облаков и закрытостью горизонта. Самые большие различия наблюдаются зимой. Так, на ст. Актру в декабре и январе солнце совсем не показывается из-за высоких крутых вершин и склонов. При этом прямая солнечная радиация не поступает на дно долины, а рассеянная радиация очень мала. Следовательно, выявленные пространственные закономерности распределения сумм суммарной радиации в пределах региона распространяются на открытые относительно ровные пространства. Для характеристики радиационного режима в долинах, на склонах необходимо учитывать степень закрытости горизонта и особенности развития локальной облачности. Альбедо Альбедо подстилающей поверхности в Алтае-Саянской горной области, так же как и в других районах с умеренным климатом, имеет ярко выраженный годовой ход. Минимальные значения альбедо наблюдаются в летнее время и в начале осеннего периода и чаще всего не превышают 22%. Наибольшие значения альбедо наблюдаются зимой: 66-70%. Основное влияние на временной ход значений альбедо оказывает продолжительность устойчивого снежного покрова. С увеличением абсолютной высоты в горах возрастает количество твердых осадков, способствующих увеличению средних значений альбедо, а следовательно, и возрастанию доли отраженной солнечной радиации. Таблица 1 1 Альбедо различных поверхностей склонов и дна типичной высокогорной долины в теплый период, % Table 1 1 Albedo of various surfaces of slopes and bottom of a typical high-mountain valley during the warm period, % Типы подстилающей поверхности Альбедо Трава на дне долины 22- -27 Кустарник (ивы, карликовые березы) 16- 20 Альпийские луга 17- 22 Сглаженные скалы 12- 15 Каменистые склоны с редкой травой 13- 14 Осыпи с крупным обломочным материалом 12- -16 Для Алтае-Саянской горной области свойственны различные ландшафтные зоны: хвойные леса, степи, снежно-ледовый пояс, в котором на снежных и каменных поверхностях круглогодично преобладает снежный покров. Средние величины отражающей способности склонов и днищ горных долин в летний период приведены в табл. 11. Поглощенная радиация Величины поглощенной солнечной радиации являются важной характеристикой, необходимой для исследования составляющих теплового баланса и решения научных и прикладных задач. Поглощенная радиация представляет собой приходную часть радиационного баланса, его изменение с высотой во многом определяет формирование ландшафтно-климатических зон. Величина поглощенной солнечной радиации распределяется в границах Алтае-Саянской горной области неравномерно. В зимний период в северных районах горной области суммы поглощенной радиации меняются в пределах 26-29 МДж/м2. В высокогорных районах значения поглощенной радиации изменяются в пределах 21-29 МДж/м2 (ст. Актру, Мульта). В юго-западных районах Алтая (Зайсан-ская котловина, ст. Буран) в связи с более южным положением величина поглощенной радиации увеличивается до 70-80 МДж/м2. Летом наблюдаются наибольшие величины поглощенной радиации. Их значения достигают 500600 МДж/м2 в месяц. В переходные сезоны года величины поглощенной радиации на северных окраинах горной области составляют 260-270 МДж/м2 (ст. Хакасская, Кузедеево). В юго-западном районе Горного Алтая на ст. Буран - до 400 МДж/м2. Эффективное излучение Минимальные значения эффективного излучения за год приходятся на зимний период, наибольшие потери радиационного баланса за счет эффективного излучения наблюдаются летом (табл. 12). Суммы эффективного излучения за год изменяются в сравнительно небольших пределах (1 4212 166 МДж/м2). Прослеживаются закономерности изменения величин эффективного излучения с высотой. Летние и годовые суммы эффективного излучения увеличиваются до высоты 1 700-1 800 м, а выше они начинают медленно уменьшаться. В зимний период увеличение эффективного излучения продолжается до большей высоты. На севере Алтае-Саянской области отмечаются наименьшие годовые суммы эффективного излучения. Это связано с тем, что в данных районах наблюдается активная циклоническая деятельность с увеличенной облачностью, повышенной влажностью воздуха, значительными осадками. В южных районах Алтая длинноволновое излучение подстилающей поверхности значительно больше. Годовая величина эффективного излучения в Зайзанской котловине на ст. Буран составляет 1 945 МДж/м2. Наибольшие значения эффективного излучения отмечаются в высокогорных котловинах, например, в Чуйской степи на ст. Кош-Агач - 2 166 МДж/м2. Этому благоприятствуют уменьшенная плотность атмосферы на больших высотах, небольшая облачность, малое количество жидких и твердых атмосферных осадков. Таблица 1 2 Средние месячные и годовые суммы эффективного излучения, МДж/м2 Table 12 Average мопШу and annual amounts of effective radiation, MJ/m2 Станции Высота, м Месяцы Сумма за год I IV VII X Хакасская 250 55 164 194 127 1543 Ильчир 2083 139 181 156 135 1817 Кызыл 626 39 164 169 143 1421 Кош-Агач 1757 93 248 227 177 2166 Буран 409 91 188 227 152 1945 В теплый период года в горноледниковых бассейнах величина эффективного излучения существенно меньше. Так, на ст. Мульта оно не превышает 82-90 МДж/м2 [Голещихин, 1985]. Еще меньше его значения на поверхностях снежно-ледовых образований - 40-60 МДж/м2. Радиационный баланс Величина радиационного баланса является очень изменчивым показателем в горах. Его измерение представляет наибольшие трудности на актиномет-рических станциях. В настоящее время на многих станциях этот показатель совсем не измеряется из-за отсутствия приборов [Максютова, 2002; Севастьянов, Севастьянова, 2007; Пигольцина и др., 2011]. Тем не менее радиационный баланс является одним из основных климатообразующих факторов. Его величиной определяется в значительной мере распределение температуры почвы и воздуха. Годовые суммы радиационного баланса в пределах Алтае-Саянской области меняются в пределах 1 279-2 095 МДж/м2 (табл. 13). В северных районах Алтая и Саян величина радиационного баланса за год не превышает на ст. Кузеде-ево 1 480 МДж/м2. В степях и высокогорных долинах его значения возрастают до 2 014 МДж/м2 (Кызыл), но на водоразделах уменьшаются. Таблица 1 3 Средние месячные и годовые суммы радиационного баланса, МДж/м2 Table 1 3 Average monthly and annual amounts of the radiation balance, MJ/m2 Станции Высота, м Месяцы Сумма за год I IV VII X Хакасская 250 -33 222 360 47 1739 Кузедеево 290 -50 171 356 35 1480 Ильчир 2083 -82 223 286 9 1279 Кызыл 626 -12 268 370 72 2014 Кош-Агач 1757 -43 241 338 66 1741 Буран 409 -24 269 386 106 2095 что в наличии имеются относительно короткие ряды наблюдений, которые не позволяют в полной мере выявить долгопериодные колебания. В ряде исследований [Сивков, 1968; Севастьянов, Севастьянова, 2007; Пигольцина и др., 2011] выявлены статистически значимые зависимости между потоками лучистой энергии и продолжительностью солнечного сияния, которая, в свою очередь, зависит от количества облачности и особенностей циркуляции атмосферы. Наличие тесных достоверных связей позволяет с высокой степенью надежности восстановить величины месячных сумм прямой, рассеянной и суммарной радиации по данным о продолжительности солнечного сияния, что дает возможность удлинить ряды наблюдений за солнечной радиацией. В теплый период приход солнечной радиации от года к году меняется в более широких пределах, чем в холодный период. Наибольшие колебания испытывает прямая солнечная радиация. На всех станциях годовые суммы суммарной радиации испытывают периодические колебания, но в целом имеют тенденцию к уменьшению. Средняя величина линейного тренда суммарной радиации приведена в табл. 14. Существенно убывают суммы прямой радиации, при этом несколько возрастают суммы рассеянной радиации. Сходные выводы сделаны из анализа динамики потоков лучистой энергии для южной части Восточной Сибири [Густокашина, 2003]. Таблица 14 Коэффициенты наклона линейных трендов месячных и годовых сумм суммарной радиации за 10 лет, МДж/м2 Table 14 Период с отрицательными значениями радиационного баланса на всех станциях продолжается с начала ноября по конец февраля. В верхнем поясе гор период с отрицательной величиной радиационного баланса может продолжаться дольше. Изменение солнечной радиации В последние десятилетия большое внимание уделяется региональному мониторингу метеорологических величин с целью исследования современного изменения климата. Особенно большое внимание привлекает изменение режима температуры воздуха. Можно однозначно говорить о повышении температуры как в глобальном масштабе, так и в Сибири. Особенно отчетливо этот факт прослеживается в холодный период года. Делаются попытки объяснить повышение температуры антропогенными и природными факторами. Определенный интерес представляет выявление взаимных региональных связей между тенденцией роста температуры воздуха и динамикой радиационного режима в горных районах Сибири. Для анализа современного изменения характеристик солнечной радиации были использованы данные о прямой, рассеянной и суммарной радиации за период с 1965 по 2015 г. по некоторых сетевым ак-тинометрическим станциям южной части Сибири. Исследование колебаний солнечной радиации затруднено не только редкой сетью станций, но и тем, Slope coefficients of linear trends of monthly and annual amounts of total radiation for 10 years, MJ/m2 Станции Месяц Год I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Кош-Агач -2,5 -3,2 -3,6 0,7 -3,3 -0,6 -3,7 -7,0 -2,2 -3,2 -2,8 -2,0 -4,5 Актру 1,1 -3,8 -5,3 -8,9 -7,2 1,2 -0,8 -1,6 -0,4 -1,9 -4,6 -1,3 -8,0 Таблица 1 5 Коэффициенты наклона линейных трендов месячных и годовых сумм радиационного баланса за год, МДж/м2- Table 1 5 Slope coefficients of linear trends of monthly and annual amounts of the radiation balance for the year, MJ/m2 Станции Месяцы Год I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Кузедеево Кош-Агач 1,0 0,2 0,5 0,7 0,2 3,2 0,8 2,7 -1,3 2,1 -1,5 2,7 -1,1 1,4 -0,1 2,5 0,0 2,5 0,6 0,9 0,6 0,3 1,0 0,6 -0,6 19,8 Статистический анализ коэффициентов наклона линейных трендов месячных и годовых сумм суммарной солнечной радиации показал, что они статистически незначимы на уровне значимости 0,05, т.е. изменение солнечной радиации в исследуемый период находилось в пределах ее естественной изменчивости. Аналогичные выводы были получены и для других районов, например для Москвы [Абакумова, 2000], для большей части территории Предбайкалья [Густокашина, 2003]. Изменения радиационных потоков на разных равнинных станциях в целом совпадают. Отмеченные колебания годовых сумм потоков лучистой энергии близки по продолжительности к одиннадцатилетним циклам солнечной активности. Исследование временной изменчивости месячных и годовых сумм радиационного баланса подстилающей поверхности проводилось для ст. Кузедеево и Кош-Агач. Были определены линейные тренды

Скачать электронную версию публикации