Режим солнечной радиации на территории западной Сибири и ее роль в фотохимических процессах Скляднева Татьяна Константиновна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Современные данные о солнечной радиации 17

1.1. Основные характеристики и методы измерения 17

1.2. Пространственное и временное распределение солнечной радиации..

1.2.1. Суммарная радиация 21

1.2.2. Ультрафиолетовая радиация 31

1.3. Роль солнечной радиации в фотохимических процессах 35

ГЛАВА II. Методы исследования и характеристика использованных данных 41

2.1. Районы проведения измерений 41

2.2. Используемые приборы и комплексы 45

2.3. Характеристики полученных баз данных 48

2.4. Общая характеристика периода наблюдений 50

ГЛАВА III. Режим солнечной радиации 55

3.1. Закономерности многолетней изменчивости радиации в Западно Сибирском регионе 55

3.1.1. Многолетняя изменчивость суммарной радиации в Западно-Сибирском регионе в период 1959-1994 гг 55

3.1.2. Изменчивость солнечной радиации в районе Томска 66

3.1.3. Многолетняя изменчивость суммарной радиации в Западно-Сибирском регионе в период 2004-2013 гг

3.2. Изменчивость солнечной радиации в условиях дымной мглы 84

3.3. Альбедо подстилающей поверхности з

ГЛАВА IV. Роль солнечной радиации в фотохимических процессах 98

4.1. Сравнение суточного хода солнечной радиации и озона 98

4.2. Прямое воздействие на озон суммарной радиации 104

4.3. Режим УФ радиации и ее воздействие на озон 112

Заключение 120

Литература

• Суммарная радиация
• Используемые приборы и комплексы
• Многолетняя изменчивость суммарной радиации в Западно-Сибирском регионе в период 1959-1994 гг
• Прямое воздействие на озон суммарной радиации

Введение к работе

Актуальность исследований

Приходящая солнечная радиация определяет формирование климата, играет важную роль во многих фотохимических и химико-биологических процессах, происходящих в атмосфере Земли и на ее поверхности. К настоящему времени накоплен огромный объем сведений о радиационно-значимых элементах атмосферы и о закономерностях поступления солнечной радиации. В последние годы, в связи с глобальным изменением климата возрастают требования к прогностическим расчетам радиационного баланса планеты. И полученная ранее информация не всегда отражает происшедшие к настоящему времени изменения и тенденции.

Установлено, что уровень и вариации суммарной Q и приземной ультрафиолетовой (УФ) радиации определяются астрономическим фактором (зенитный угол Солнца), а также общим содержанием озона, облачностью, альбедо подстилающей поверхности, аэрозольной оптической толщей, различными примесями воздуха. Вклад каждого из этих факторов переменный и зависит от физико-географических и климатических особенностей региона. Поэтому остаются актуальными исследование маломасштабной изменчивости радиационных характеристик, а также получение более полной количественной информации об известных характеристиках и закономерностях в отдельных регионах с различными климатическими условиями.

В связи с наблюдаемыми в последние десятилетия изменениями климата стали актуальны исследования тенденций многолетней изменчивости солнечной радиации на земной поверхности. Уменьшение солнечной радиации, наблюдавшееся в 1960–1980 гг., прекратилось, и начался процесс восстановления исходных значений радиации. В период 1990–2010 гг. на станциях Европы суммарная радиация увеличилась в среднем на 2,9% за 10 лет и во многих регионах Европы значения суммарной радиации достигли уровня 1960-х гг. [1]. На территории Азии, отличающейся разнообразием климатических условий, наблюдается более сложная картина пространственно-временных изменений солнечной радиации. Тенденция к росту величины радиации не оказалась долговременной на всей территории России. В период 1986–2010 гг. на азиатской территории России (АТР) сформировалась обширная область со слабыми отрицательными трендами приходящей радиации; в некоторых регионах АТР возобновилась тенденция к снижению прямой и суммарной радиации [2].

Обширная территория Западной Сибири, расположенная в разных климатических зонах, является важной частью АТР. К настоящему времени вопросы многолетних и краткосрочных изменений приходящей радиации на территории Западной Сибири оказались недостаточно изученными. Анализу и обобщению временного и пространственного распределения солнечной радиации на территории Западной Сибири и ее роли в фотохимических процессах посвящена данная работа.

Цель и задачи исследования

Целью работы являлось исследование многолетней изменчивости солнечной радиации на территории Западной Сибири и оценка ее вклада в фотохимическое образование озона в приземном слое атмосферы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. организация и проведение многолетнего мониторинга суммарной и ультрафиолетовой солнечной радиации;

2. создание баз данных по результатам мониторинга;

3. исследование временной динамики суммарной и ультрафиолетовой радиации в районе г. Томска;

4. выявление пространственно-временной динамики суммарной радиации на территории Западной Сибири;

5. оценка вклада солнечной радиации в ход фотохимических процессов образования озона.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В условиях стабильного климата (1959–1994 гг.) в отдельных районах Западной Сибири наблюдались разнонаправленные незначимые тенденции изменения суммарной радиации. В изменяющихся климатических условиях (1995–2014 гг.) на территории региона наметился отрицательный тренд (–0,7 –1,0%), обусловленный положительным трендом облачности, которая является отражением обратных связей климатической системы.

2. Особенности структуры барических образований, такие как влаго-содержание, количество аэрозоля и облачность, приводят к тому, что поступление суммарной радиации в антициклоне в среднем в 1,6 раза больше, чем в циклоне, и варьирует от 1,3 до 2,0. Неоднородность распределения ослабляющих компонент внутри барических образований определяет максимальное суточное поступление суммарной радиации в северо-восточной части циклона и в южной и юго-западных частях антициклона.

3. В реальной атмосфере зависимость фотохимической генерации озона от интенсивности приходящей солнечной радиации имеет промежуточный вид по отношению к теоретически предсказанному (генерация по прямым циклам ~ I¹ и генерация по многостадийным циклам ~ I^1/2). Она не зависит от времени года и пропорциональна I^0,75. Это говорит о том, что в натурных условиях генерация озона происходит частично по прямым и частично по многостадийным циклам.

Достоверность научных результатов

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается следующими факторами:

1. статистической обеспеченностью исследуемых параметров, использованием апробированных статистических методов обработки данных;

2. физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с существующими физическими представлениями о распространении солнечного излучения;

3) удовлетворительным согласием полученных результатов с имеющимися в литературе данными.

Научная новизна результатов

1. Создана сеть автоматических постов мониторинга суммарной радиации на территории Западной Сибири. Впервые проведен многолетний мониторинг суммарной и УФ-радиации в районе г. Томска.

2. Установлено, что в период с 1995 по 2014 г. на юге и юго-востоке Западной Сибири наблюдался отрицательный тренд приходящей солнечной радиации, а в северной части отмечен положительный тренд.

3. На основании исследования зависимости прихода солнечной радиации от типа барического образования установлено, что суточные суммы суммарной радиации при антициклоне в среднем выше в 1,6 раза, чем при циклоне в течение всего года, и при этом внутри циклона и антициклона они распределены неоднородно.

4. Исследован радиационный режим г. Томска впериод дымной мглы от лесных пожаров и показано, что потери приходящей суммарной и ультрафиолетовой радиации в зависимости от плотности дымной мглы и высоты Солнца над горизонтом могут составлять 20–70 и 30–95% соответственно.

5. Впервые проведен самолетный мониторинг альбедо подстилающей поверхности и выявлен его сезонный ход для территорий, включающих лесной массив хвойных растений, Обское водохранилище и прилегающие сельскохозяйственные поля.

6. Впервые сделана оценка вклада солнечной радиации в генерацию озона в реальной атмосфере и показано, что количество образовавшегося озона в тропосфере пропорционально интенсивности приходящего излучения в степени 3/4.

Научная и практическая значимость

Научная значимость работы заключается в изучении и обобщении широкого класса вопросов, касающихся пространственно-временного распределения солнечной радиации и ее роли в фотохимических процессах. Практическая сторона работы связана с анализом данных многолетнего измерения суммарной и ультрафиолетовой радиации. Кроме того, проведенные исследования представляют интерес для специалистов, связанных с созданием региональных моделей. Полученные данные могут использоваться климатологами, специалистами сельскохозяйственной, жилищно-комму-нальной и строительной отраслей для оценки климатического потенциала территорий.

Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении государственных контрактов Минобрнауки № 11.519.11.5009, 11.518.11.7045 и 8325; работа поддерживалась грантами РФФИ № 11-05-00470, 11-05-00516, 11-05-93116 и 11-05-93118, программой Президиума РАН № 4, программой ОНЗ РАН № 5, междисциплинарными интеграционными проектами СО РАН № 35, 70 и 131.

Апробация работы

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на II, III, IV Межреспубликанских симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1995; 1996; 1997); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); VI, VII Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999; 2000); II, IV, V, VI, VII, VIII, IX, XI, XII, XIII, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX заседаниях Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 1995; 1997; 1998; 1999; 2000; 2001; 2002; 2004; 2005; 2006; 2008; 2009; 2010; 2011;2012); VIII, XI, XII, XIV, XV, XVI, XVIII, XIX Join International Symposiums «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics» (Irkutsk, 2001; Tomsk, 2004, 2005; Buryatiya 2007; Krasnoyarsk, 2008; Tomsk, 2009; Irkutsk, 2012; Altay 2013); Second International Airborne Remote Sensing Conference Exhibition (San Francisko, 1996); 14th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols (Helsinki, 1996); 15th Annual Conference of the American Association for Aerosol Research (Orlando, Florida, 1996); II, III, VIII, IX, X Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 1997; 1999; 2009; 2011, 2013); Symposium EUROTRAC (Garmisch-Partenkirchen, German, 1999; 2000); 8th Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia in 1999 (Tsukuba, Japan, 2000); II Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000); II, III, IX Международных конференциях «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2014); Международных конференциях по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS (Томск, 2000; 2004; 2008; 2010); 2nd Asian Aerosol Conference (Pussan, Korea, 2001); Quadrennial Ozone Symposium (Kos., Greece, 2004); IAMAS-2005 (Beijing, China, 2005); 16th ARM Science Team Meeting Proceedings (Albuquerque, NM, 2006); Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2006); Международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (Санкт-Петербург, 2009; 2011); European Geosciences Union General Assembles (Vienna, Austria 2010; 2013); VII Всероссийском симпозиуме «Контроль окружающей среды и климата» (Томск, 2010); Workshop «Tropospheric Ozone Changes» ( Toulouse, France, 2011); II Международном совещании-семинаре «Проблемы мониторинга приземного озона и пути нейтрализации его вредного влияния» (Таруса, 2012); III Международном совещании-семинаре «Проблемы мониторинга приземного озона и его влияние на здоровье человека и экосистемы» (Москва, 2013).

По материалам диссертации опубликовано 25 статей в рецензируемых изданиях из списка рекомендованного ВАК, 2 раздела в монографии, 16 статей в периодических изданиях Proceedings of SPIE. Основные результаты ра-боты представлены в докладах на межреспубликанских и международных

конференциях. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации базы данных.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор принимала участие в постановке основных задач данной работы, разработке и создании баз данных, создании программ обработки полученных данных, анализе и интерпретации результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 140 страниц, включая 17 таблиц и 32 рисунка. Список цитируемой литературы составляет 184 наименования.

Суммарная радиация

Информация о потоках солнечной радиации, ее пространственном и временном распределении может быть получена с помощью:

Систематические наблюдения за солнечной радиацией в России начались в конце XIX столетия (в 1892 г.) и проводились на 5— 6 станциях. В последующие годы (начиная с 1952 г.) было организовано плановое развитие актинометрической сети и с 1963 г. по 1986 г. общее число станций на территории бывшего СССР составляло 230 станций. Результаты наблюдений были опубликованы в Актинометрических ежемесячниках за период 1961 - 1986 гг. Существенный вклад в развитие актинометрической аппаратуры, разработку единообразных методик внесли Савинов СИ., Калитин Н.Н., Янишевский Ю.Д., Гущин Г.Г., научное руководство сетевыми наблюдениями осуществлялось Главной Геофизической обсерваторией.

К сожалению, к концу 1990 -х годов количество станций, на которых проводились систематические наблюдения за солнечной радиацией, значительно сократилось. В настоящее время данные измерений актинометрической сети на территории России поступают в мировой центр радиационных данных (МЦРД, Санкт-Петербург, Российская Федерация), который по поручению ВМО публикует результаты наблюдений мировой наземной сети за солнечной радиацией, радиационным балансом земной поверхности и продолжительностью солнечного сияния. С 1993 г. сборники с радиационными данными издаются четыре раза в год.

Благодаря экспериментальным и теоретическим исследованиям, выполненным с конца прошлого века, получены обширные данные о закономерностях радиационных взаимодействий, режиме прихода радиации в различных географических районах и атмосферных условиях. Основные результаты актинометрических наблюдений и характеристики радиационных процессов обобщены, например, в монографиях [1,4,5,20]. Особо следует выделить работы З.И. Пивоваровой и В.В. Стадник [5,20], в которых подробно рассмотрена методика обработки составляющих радиационного режима, выявлены основные закономерности распределения радиационных характеристик на территории СССР до 1970 г., составлены карты и таблицы климатических характеристик солнечной радиации.

Распределение суммарной радиации по территории зависит, прежде всего, от астрономического фактора [5,20]. Авторами показано, что его влияние на приход солнечной радиации более четко прослеживается зимой: наблюдается равномерное увеличение радиации с севера на юг. К весне зональность нарушается, так как преобладающим становится циркуляционный фактор, влияние которого на приход радиации проявляется через облачность. В этот период направления изолиний суммарной и прямой радиации имеет общую тенденцию с юго-запада на северо-восток. Наименьшие суммы радиации отмечаются на европейской территории России (ЕТР) и на севере Западной Сибири, наибольшие - в Средней Азии и на северо-востоке азиатской территории России (АТР). Низкий месячный приход солнечной радиации на ЕТР связан со значительным влиянием влажных воздушных масс, поступающих с Атлантики, увеличивающих циклоническую деятельность, а также с уменьшением прозрачности атмосферы в этом районе, обусловленной аэрозольной составляющей ослабления радиации. Уменьшение суммарного прихода солнечной радиации происходит как за счет прямой, так и за счет рассеянной радиации. Месячные суммы рассеянной радиации здесь являются наиболее низкими по сравнению с остальной территорией, что объясняется различием в плотности облачного покрова, а также различиями подстилающей поверхности в умеренных и северных широтах ЕТР и АТР из-за неодинаковых сроков схода снежного покрова. Повышенные значения месячных сумм прямой радиации на северо-востоке АТР - результат высокой прозрачности атмосферы, большой повторяемости ясного неба. Увеличение рассеянной радиации благодаря наличию снежного покрова и повышенная прямая радиации способствуют возрастанию ее суммарного прихода.

В летний период в умеренных широтах для суммарной и прямой радиации сохраняется направление изолиний с юга-запада на северо-восток. Месячный приход прямой и суммарной радиации на ЕТР, как правило, ниже, чем на АТР [20].

Распределение суммарной радиации в августе приобретает характер близкий к широтному. В сентябре и октябре изменение месячных сумм суммарной радиации носит широтный характер, которое сохраняется и в зимние месяцы. Анализ распределения месячных сумм суммарной радиации по территории страны показал, что почти во все месяцы западные районы России получают солнечного тепла меньше, чем восточные. Минимум месячных сумм наблюдается на севере страны, за исключением летних месяцев. В летние месяцы наиболее низкие значения отмечаются на северо 23 западе ЕТР и Дальнем Востоке. Приморский край характеризуется высокими значениями суммарной радиации с декабря по март.

Пространственное распределение суммарной радиации на территории Томской области носит в основном зональный характер. Согласно данным [21] годовые суммы суммарной радиации уменьшаются в направлении с юга на север на 113,02 МДж/м на 100 км, а также в направлении с запада на восток. Максимальные горизонтальные градиенты суммарной радиации отмечаются в теплый период, а минимальные - в холодный. В восточном направлении изменение годовых сумм значительно меньше, чем в меридиональном направлении.

Используемые приборы и комплексы

Интегральная интенсивность УФ-В радиации измеряется ультрафиолетовым пиранометром UVB-1 (Yankee Environmental Sistems, Inc., США). Пиранометр UVB-1 измеряет интегральную по сфере интенсивность УФ-В радиации в диапазоне длин волн 280-320 нм в Вт/м .

Оба прибора установлены на крыше четырёхэтажного корпуса станции высотного зондирования ИОА СО РАН. Измерения обоими пиранометрами проводятся один раз віче осреднением за 10 минут. Пиранометры согласуются с ЭВМ посредством специальных преобразователей. Итоговый результат, фиксируемый ЭВМ, получается осреднением 600 разовых значений и расчетом среднеквадратического отклонения по ним для каждой из измеряемых величин.

Измерения восходящих и нисходящих потоков солнечной радиации с борта самолета осуществлялись с помощью двух пиранометров М-115М. Один из пиранометров был установлен на верхней части, а другой закреплен на нижней части фюзеляжа самолета. Измерения проводились с частотой 1 Гц на протяжении всего полета, а результаты сохранялись в текстовом формате. Дальнейшая обработка данных проводилась в лаборатории.

На сети мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу компонентов на территории Западной Сибири для измерения суммарной солнечной радиации используется пиранометр KIPP&Zonen Model СМЗ(спектральный диапазон измерения 305-2800 нм). Чувствительность прибора 7 MV/KBT-M" . Прибор установлен на мачте на высоте 5 м. Предварительно была проведена интеркалибровка всех пиранометров. Измерения проводятся три раза віче осреднением за 20 минут. Пиранометры согласуются с ЭВМ посредством специальных преобразователей. Результаты измерений записываются в накопитель данных. Измерительный комплекс работает в автоматическом режиме и не требует присутствия оператора. Съем информации осуществляется оператором вручную 4-5 раз в год. Непосредственное формирование базы данных осуществляется в лаборатории. 2.3 Характеристики полученных баз данных

Для выявления особенностей длиннопериодной изменчивости радиационных характеристик в Западно-Сибирском регионе до 1995 г. были использованы данные о прямой, рассеянной и суммарной радиации шести актинометрических станций: Александровское, Огурцово (Новосибирск), Енисейск, Благовещенка, Кузедеево, Омск.

Для оценки поступления и анализа изменчивости радиационных характеристик в Томске, Томской области и районах Западной Сибири после 1995 г. использовались данные наземных и самолетных наблюдений лаборатории климатологии атмосферного состава ИОА СО РАН. Наземные измерения ведутся в автономном и автоматическом режиме круглосуточно, что приводит к накоплению большого объем данных. Для эффективного использования собранного материала разработана единая форма представления данных и организована возможность оперативного поиска, выборки и обработки данных. Сформированные базы данных содержат:

Используя часовые значения наземных измерений, рассчитаны ежедневные суточные суммы, а также месячный и годовой приход суммарной и ультрафиолетовой радиации. Предварительно исходные массивы данных выбраковывались, а имеющиеся в результате сбоев техники пробелы в сроках измерения восстанавливались путем аппроксимации значений в предыдущий и последующий сроки.

Для обработки самолетных данных отобраны полеты, выполненные при благоприятных погодных условиях (безоблачное небо) и при этом не было сбоев в работе аппаратуры. Поскольку самолет в полете испытывал пространственные колебания как вдоль продольной оси (тангаж), так и вдоль поперечной оси (крен), то это отражалось и в показаниях пиранометров. В ходе первичной обработки данные с пиранометров, полученные при крене 5 и тангаже 2, отбрасывались. Такие величины заданы исходя из значений двойной погрешности применяемых датчиков.

Прежде чем оценить поступление суммарной радиации (Q) и ее изменчивость в районе Томска за 20-летний период (1995-2014 гг.), остановимся на характеристике рассматриваемого периода. Температура и осадки. Рассматриваемый нами временной интервал относится к периоду глобального потепления (вторая половина XX - начало XXI веков), который характеризуется ростом температуры воздуха в нижних слоях атмосферы как для Земного шара в целом, так и Северного полушария (http://www.cru.uea.ac.uk). Начало современного потепления в большинстве регионов Российской Федерации, включая Западную Сибирь, относится к началу 1970-х годов (109, www.meteorf.ru). Из анализа временных рядов осредненных аномалий среднегодовой температуры (отклонения от стандартного базового периода 1961-1990 г.) [ПО] следует, что с 1976 года наблюдается рост температуры на всей территории Российской Федерации. Тренд осредненной по РФ среднегодовой температуры за 1976-2014 гг. составил 0,42С/10лет, а для Западной Сибири — 0,27С/10лет. Минимум потепления в среднем за год отмечен на юге Западной Сибири. По данным [111] в Томске наблюдается положительный тренд аномалий среднегодовой температуры.

На большей части территории России наблюдается положительный тренд годовых сумм осадков за период 1976-2014. Тренд среднегодовых осадков, осредненных по территории РФ, составляет 2,0% нормы/10 лет. На территории Западной Сибири этот период также характеризуется ростом аномалии осадков (2,3% нормы/10 лет), преимущественно зимой и весной. Избыток осадков здесь наблюдается ежегодно за последние 10 лет, исключая 2003 год и период 2010-2012 гг. [ПО]. Согласно результатам, приведенным в [111], количество осадков в г. Томске, как и на территории Западной Сибири, также увеличивается.

Многолетняя изменчивость суммарной радиации в Западно-Сибирском регионе в период 1959-1994 гг

Согласно [33,34] в Северном полушарии в период 1960-1990 гг. имел место отрицательный тренд суммарной радиации на поверхности суши в пределах 6-9 Вт/м2 (это эквивалентно 4-6% спада Q за 30 лет), а позднее 1990 г. возник противоположный тренд. По данным [34] тренд возрастания Q в период 1983-2001 гг. составил 0,16 Вт/м2 (0,10% в год).

В п. 3.1.1 показано, что на территории Западной Сибири за период 1958-1995 многолетняя изменчивость суммарной радиации не отличалась единообразием тенденций в разных частях территории. Коэффициент вариации годовых сумм на разных станциях менялся от 3,5% до 6,7% , а среднегодовая сумма суммарной радиации - в диапазоне 3495 МДж/м 4506 МДж/м [120]. Однако, в период глобального изменения климата в отдельных районах Сибирского региона распределение компонент, определяющих процесс переноса солнечного излучения в системе «атмосфера -подстилающая поверхность», претерпевает некоторые изменения [117,119,132]. Поэтому на основе современных данных проанализировала пространственно-временная изменчивость суммарной солнечной радиации на территории Западной Сибири за 2004-2013 гг. [133].

Временная динамика суммарной радиации на территории Западной Сибири. На ст. Карасевое (зона средней тайги) и Саввушка (степь) отмечена тенденция отрицательного тренда приходящей солнечной радиации (относительная интенсивность тренда - -0,7% и -1% соответственно), а на ст. Игрим (зона северной тайги)- положительного тренда (1,2%).

Наблюдается широтная зависимость распределения Q. Максимальный годовой ход получен на посту в Саввушке, а минимальный - в Ноябрьске, в самой южной и самой северной точках наблюдения (рис. 3.11). Основной вклад в Q вносит теплый период (май-сентябрь). За рассматриваемый период он составил - 71% и 63% от годового значения на севере и юге Западной Сибири соответственно, а в районе поста Карасевое - 65,8%. В степной зоне Западной Сибири максимальное поступление суммарной радиации зарегистрировано в июне-июле в зависимости от года измерений, а в районе северных мачт в июле. Максимум суммарной солнечной радиации в летний период отмечен в районе Ваганова (но говорить, что это закономерность рано, так как в этом районе ряд наблюдений короткий - всего 5,5 года).

Месяц Рис.3.11. Среднегодовой ход суммарной солнечной радиации (2004-2013 гг.) е семи пунктах измерения. Для оценки вариабельности месячных сумм Q проведено сравнение относительной величины изменения суммарной радиации - коэффициента вариации V (табл.3.3). Минимальные вариации месячных сумм суммарной радиации наблюдаются в летний период. Внутри сезона в районе северных мачт наиболее устойчивым оказался июнь. На юге Западной Сибири минимальные вариации месячных сумм Q отмечены в июле в районе д. Ваганово (V=2,3%). Отметим, что в летний период в районе д. Азова и д. Ваганова наблюдается устойчивый радиационный режим и коэффициент вариации месячных сумм незначительный (V=2- 8%). В тоже время в районе Саввушки в июле V=10,5%. В зимний период наблюдаются максимальные вариации месячных сумм суммарной радиации (V=25- 40%) на всех постах наблюдения.

Как известно изменчивость ежедневных сумм включает в себя колебания радиации внутри месяца каждого года, обусловленные сменой синоптических процессов, и колебания от года к году, связанные с изменением преобладающих форм общей циркуляции в отдельные годы. За рассматриваемый период в суточном ходе максимальные значения суммарной радиации наблюдались в около полуденное время в течение года, при этом в зимний полдень поступление суммарной радиации сопоставимо с летним в ранние утренние часы. Максимальная дневная амплитуда изменений Q отмечена в июле, а минимальная - в декабре на всех мачтах. Наблюдается ассиметрия суточного хода относительно полудня: дополуденное поступление суммарной радиации меньше послеполуденного. Наибольшая изменчивость величин суммарной солнечной радиации отмечена в утренние и вечерние часы, наименьшая в дневное и околополуденное время.

Суточное поступление суммарной радиации за рассматриваемый период изменялось в диапазоне 0,3-К32 МДж/м2 в степной зоне и 0,04-К31 МДж/м2 в зоне северной и средней тайги Западной Сибири. В табл.3.4 в качестве примера приведены средние суточные суммы суммарной радиации на ст. Игрим, Карасевое и Саввушка.

Максимум среднего суточного поступления Q наблюдался на ст, Игрим в июне и июле, а на ст. Карасевое и Саввушка - в июне. Смещение максимума с июля на июнь в районе Саввушки обусловлено холодным, дождливым, с большим количеством дней со сплошной облачностью в июле 2010 гг.

За период измерений наблюдались резкие перепады в суточном приходе Q. Например, в Саввушке с 16 по 18 сентября 2010 г. различия составили 14 МДж/м , а максимальная суточная сумма за теплый период этого же года отмеченная 31 июня почти в 14 раз больше минимальной, приходящейся на 22 июля. На ст. Саввушка коэффициент вариации суточных сумм за теплый период 2007-2012г. составил от 34% до 38% в зависимости от года, а в зимний период- 46- 56%. Однако в эту величину входят изменения, обусловленные астрономическими факторами (годовым ходом высоты Солнца и продолжительностью дня). Чтобы по возможности исключить их влияние, было использовано отношение суточных сумм за каждый день года к средним многолетним значениям за этот же день. Коэффициент вариации этого отношения, характеризующий большую изменчивость суточных сумм за счет погодных условий, по сравнению со средними многолетними значениями составил в районе Саввушки 30-К34% в теплый период и 28-КЗЗ% зимой, в районе ст. Карасевое - 31 -40% в летний и зимний периоды. В Игриме коэффициент вариации несколько выше и менялся в диапазоне 32 -40% в теплый период, а колебания суточных сумм в зимний период составили 43- 55% в зависимости от года измерений.

Прямое воздействие на озон суммарной радиации

Из рис. 4.5 видно, что чем выше концентрация озона, тем меньше затраты солнечной энергии на образование единицы концентрации озона. Вместе с тем этот рисунок демонстрирует синхронность кривых в первой половине года и частичное подобие во второй.

Такое поведение кривых, скорее всего, можно объяснить следующим. Поскольку в первую половину года - весной и в начале лета (развитие растительности, испарение) - идет интенсивная генерация озонообразующих веществ, то в генерации озона преобладает зависимость I . Во второй половине лета, когда количество озонообразующих веществ в приземном /ті , Т1/2ч слое начинает уменьшаться, генерация озона идет по схеме (1 + 1 ) или близкой к

Для проверки этих предположений методом наименьших квадратов была рассчитана скорость выхода озона в зависимости от интенсивности суммарной солнечной радиации. Средние и максимальные значения находились по формуле Для выборки за период 1996-1998 гг.были получены следующие коэффициенты искомой формулы: 03 = 0,0088 Q1 23 Показатель степени здесь значительно больше, чем в фотохимических камерах [101], что маловероятно для реальной атмосферы, в которой имеются многочисленные дополнительные стоки озона. Скорое всего, в расчетах нашел отражение эффект годового хода концентрации озона, выявленный выше.

Чтобы исключить эффект годового хода концентрации озона вся выборка за период 1996-1998 гг. была разбита на три части: зима, лето и переходные сезоны. Расчет для двух сезонов дал следующие результаты:

Из этих формул видно, что в реальной атмосфере зависимость генерации озона от интенсивности притока солнечной радиации имеет промежуточный вид, по отношению к фотохимическим камерам (1 и 1 ) [101], независимо от времени года. Это говорит о том, что в натурных условиях генерация озона происходит одновременно и по прямым, и по промежуточным циклам.

Для проверки надежности полученных оценок исходные данные были дополнены данными за 1995 и 1999 гг., что увеличило его на 20% как за счет более высоких, так и за счет более низких концентраций озона. В результате расчетов по такому массиву данных были получены следующие коэффициенты: 03 = 0,0092 Q1 23 (независимо) 03 = 0,099 Q0 73 (зима), 03 = 0,183 Q0 83 (лето). Таким образом, в полученных формулах при достаточно большом разбросе коэффициентов пропорциональности показатели степени в них менее изменчивы и лежат в диапазоне, который задан в [101] на основании лабораторных данных, кроме случаев, когда расчеты проводятся по всему массиву без учета сезонного хода озона. Это свидетельствует о том, что в реальной атмосфере процессы генерации озона идут одновременно по механизмам, в которых присутствуют и первичные, и вторичные циклы реакций.

Физическое значение же коэффициентов в данных эмпирических соотношениях следующее. Коэффициент пропорциональности отражает годовой ход концентрации озона и озонообразующих веществ в конкретном месте. Можно предполагать, что он будет значительно изменяться не только во времени, но и в пространстве. Показатель же степени имеет более общий физический смысл и определяет зависимость хода фотохимических процессов от интенсивности солнечного излучения, инициирующего такие процессы. Это более консервативная характеристика и ее изменчивость должна больше зависеть от соотношения первичных и вторичных фотохимических циклов в реальной атмосфере.

Для генерации озона в тропосфере значительно важнее не сам приток солнечной радиации, а поток ее ультрафиолетовой части А,=290-320 нм (см. рис. 1.4). На рис. 4.6 приведены данные об изменчивости приземной концентрации озона и УФ радиации в районе г. Томска для трех центральных месяцев сезонов.

Из рис. 4.6 следует, что имеется почти 100% временная модуляция концентрации озона притоком УФ-В радиации. Смещения по времени в 1 день, которые наблюдаются в отдельные периоды, скорее всего обусловлены тем, что на графиках нанесены данные со среднесуточным осреднением. В то же время, обращает на себя внимание, что амплитуды вариаций озона и УФ-В радиации не синхронизированы по величине.