Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса изученности ветро- и гелиоэнергетики. Выбор исходного периода и методика исследования. Физико-географические особенности района исследования 10
1.1 Современное состояние вопроса изученности ветро- и гелиоэнергетики и их метеорологических аспектов 10
1.2 Выбор исходного периода и методика исследования 16
1.3 Физико-географические особенности района исследования 26
2 Климат Забайкальского края 29
2.1 Атмосферная циркуляция Забайкальского края 29
2.2 Пространственно-временное распределение температуры воздуха и атмосферных осадков по территории Забайкальского края 32
2.3 Межгодовые изменения температуры воздуха и атмосферных осадков 38
3 Ветровой режим Забайкальского края 45
3.1 Многолетние характеристики ветра 45
3.2 Межгодовая изменчивость скорости ветра 58
4 Радиационный режим Забайкальского края 72
4.1 Многолетние характеристики облачного покрова и продолжительности солнечного сияния 72
4.2 Распределение прямой, рассеянной и суммарной радиации по территории Забайкальского края 84
4.3 Межгодовая изменчивость характеристик облачности, продолжительности солнечного сияния и солнечной радиации 91
5 Ветро- и гелиоэнергетические ресурсы Забайкальского края 106
5.1 Глобальные факторы и частные проблемы энергетики Забайкальского края 106
5.2 Оценка природного ветроэнергетического потенциала на территории Забайкальского края 109
5.3 Природный гелиоэнергетический потенциал на территории Забайкальского края 116
Заключение 129
Список литературы 131
Приложения 146
- Пространственно-временное распределение температуры воздуха и атмосферных осадков по территории Забайкальского края
- Межгодовая изменчивость скорости ветра
- Распределение прямой, рассеянной и суммарной радиации по территории Забайкальского края
- Природный гелиоэнергетический потенциал на территории Забайкальского края
Введение к работе
Актуальность работы. Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Уже сегодня наблюдается значительное увеличение энергопотребления, связанное с развитием экономики и приростом населения. Развитие традиционной энергетики, основанной на использовании невозобновляемых ресурсов, неизбежно ведет к снижению уровня их запасов и наносит заметный ущерб окружающей среде. Поэтому все более необходимым становится производство энергии с использованием возобновляемых источников энергии.
Необходимость их ускоренного развития в Забайкальском крае вызвана потребностями как в обеспечении электроэнергией населенных пунктов, находящихся вдали от систем централизованного энергоснабжения, так и районов, которые не имеют резервного энергообеспечения. Расширение использования в крае возобновляемых источников энергии предусмотрено Государственной программой «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Забайкальском крае (2014-2020 годы)».
В связи с этим важно оценить возможность включения в общий энергетический баланс Забайкальского края ветро- и гелиоэнергетических ресурсов, потому как они имеют существенную вероятностную составляющую прихода энергии. Результаты оценки ветро-и гелиоэнергетического потенциала могут использоваться в перспективном планировании экономического развития территории Забайкальского края.
На развитие ветроэнергетики и гелиоэнергетики в регионе и эксплуатацию ветроэнергетических установок и солнечных панелей может повлиять как глобальное, так и региональное изменение климата, которое сказывается на различных климатических характеристиках. Поэтому представляется важным исследовать ветровой режим, режим облачного покрова, солнечного сияния и солнечной радиации на территории Забайкальского края более подробно за период наиболее активного потепления с использованием актуальных данных.
Цель работы состоит в установлении количественных показателей пространственно-временных изменений характеристик ветра, облачности, продолжительности солнечного сияния и солнечной радиации на территории Забайкальского края за период 1981-2013 гг. в условиях происходящих изменений климата и оценке природных ветро- и гелиоэнергетического потенциалов региона.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
а) изучение пространственно-временного распределения характеристик ветрового
режима на территории Забайкальского края с помощью географических информационных
систем;
б) выявление возможных причин многолетних изменений составляющих ветрового
режима в регионе в последние три десятилетия на фоне глобального потепления методом
корреляционного анализа и тренд-анализа;
в) выявление общих закономерностей пространственно-временного распределения
характеристик облачности, продолжительности солнечного сияния и солнечной радиации с
использованием географических информационных систем;
г) определение возможных причин многолетних изменений характеристик
облачности, продолжительности солнечного сияния и солнечной радиации в условиях
изменения климата в конце XX и начале XXI вв. статистическими методами;
д) оценка природного потенциала энергии ветра и солнца в Забайкальском крае
посредством использования теоретических и эмпирических формул.
Материалы исследований. В диссертационной работе использованы данные
наблюдений Забайкальского управления по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды и Всероссийского научно-исследовательского института
гидрометеорологической информации – Мирового центра данных о температуре воздуха и атмосферных осадках, о параметрах ветра и облачности, солнечного сияния и солнечной радиации.
Методы исследований. В работе использованы статистические и географические методы. Для определения параметров линейных трендов многолетних изменений был выбран метод наименьших квадратов. Оценка значимости выявленных трендов выполнялась с использованием t-статистики Стьюдента. Для расчета ветро- и гелиоэнергетического потенциалов использовались теоретические и эмпирические формулы. Анализ пространственных изменений исследуемых величин выполнялся при помощи программного обеспечения «Surfer», а их визуализация – с использованием программного пакета «ArcGIS».
Объектом исследования являются отдельные характеристики климата Забайкальского края, необходимые для оценки природных ветро- и гелиоэнергетического потенциалов.
Предмет исследования – режим ветра, облачности, продолжительности солнечного сияния и солнечной радиации; ветро- и гелиоэнергетические природные ресурсы Забайкальского края.
Основные защищаемые положения:
а) многолетние изменения составляющих ветрового режима связаны, главным
образом, с географическим положением осевой изогипсы планетарной высотной
фронтальной зоны;
б) увеличение годовой продолжительности солнечного сияния, определившее
увеличение годовых значений прямой солнечной радиации, вызвано уменьшением
количества облачности в августе и сентябре, связанным, в большей степени, с
циркуляционными процессами, описываемыми полярно-евразийским телеконнекционным
индексом;
в) результаты расчета природных ветро- и гелиоэнергетического потенциалов в
Забайкальском крае.
Научная новизна работы состоит в следующем:
а) установлено, что многолетнее снижение среднегодовой скорости ветра на
территории Забайкальского края вызвано увеличением числа штилей и слабых ветров и
уменьшением повторяемости сильных ветров (более 4 м/с) вследствие уменьшения
меридиональных градиентов температуры, обусловленного смещением широтного
положения осевой изогипсы планетарной высотной фронтальной зоны в северном
направлении;
б) впервые на территории Забайкальского края выявлено многолетнее увеличение
годовых значений прямой солнечной радиации, вызванное ростом продолжительности
солнечного сияния, которое связано, главным образом, с уменьшением количества
облачности в августе и сентябре, обусловленным циркуляционными механизмами,
описываемыми полярно-евразийским телеконнекционным индексом;
в) впервые для территории Забайкальского края рассчитаны природные ветро- и
гелиоэнергетический потенциалы с минимальными значениями на севере и западе региона
и максимальными – на юге и юго-востоке.
Практическая значимость. Исследования, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Забайкальского края в рамках реализации научного проекта № 14-05-98005-р_сибирь_а.
Результаты работы применяются в учебном процессе Забайкальского
государственного университета.
Полученные автором результаты могут быть учтены Правительством Забайкальского края при оценке возможности использования ветро- и гелиоэнергетических ресурсов, а также компаниями, специализирующимися на выработке электроэнергии или предполагающими сделать получение энергии с использованием ресурсов ветра и солнца результатом своей деятельности.
Полученные данные могут использоваться при оценке климата края, а также при климатическом обслуживании отраслей народного хозяйства, которые так или иначе зависят от климатических условий.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов определяется
привлечением большого объема стандартной метеорологической информации,
использованием объективных методов статистического анализа и подтверждается статистической оценкой обоснованности результатов. Полученные научные выводы согласуются с результатами работ отечественных и зарубежных авторов.
Личный вклад автора состоит в личном подборе методов исследования,
самостоятельном выполнении статистической обработки исходных данных, их
пространственно-временного анализа, а также оценки природных ветро- и
гелиоэнергетического потенциалов Забайкальского края.
В диссертации используются результаты исследований, которые выполнены совместно с Д.Н. Носковым и В.А. Обязовым.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:
Международная научная конференция «Региональный отклик окружающей среды на
глобальные изменения в Северо-Восточной и Центральной Азии» (Иркутск, 2012); Вторая
Всероссийская научная конференция с международным участием «Окружающая среда и
устойчивое развитие регионов» (Казань, 2013); III молодежная научная конференция,
посвященная Году охраны окружающей среды в России «Молодежь и наука Забайкалья»
(Чита, 2013); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с
международным участием «Современные достижения и проблемы в области изучения
окружающей среды» (Барнаул, 2014); Межрегиональная научно-практическая
конференция, посвященная 120-летию Забайкальского регионального отделения Русского географического общества «Забайкалье: природа, экономика, история, культура» (Чита, 2014); Международная научно-практическая конференция «Региональные проблемы водопользования в изменяющихся климатических условиях» (Уфа, 2014); XIV международная научно-практическая конференция «Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов» (Чита, 2014); Международная научная конференция «Климатология и гляциология Сибири» (Томск, 2015); XVI Международная научно-практическая конференция «Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов» (Чита, 2016); Международная научно-практическая конференция «Шелковый путь. Транссиб. Маршруты сопряжения: экономика, экология» (Чита, 2017); ученый совет ИПРЭК СО РАН (2017), научный семинар кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ (2017).
По теме исследования опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 статей в изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы 163 л., включая 42 рисунка, 36 таблиц, 10 приложений. Список цитируемой литературы насчитывает 147 источников.
Пространственно-временное распределение температуры воздуха и атмосферных осадков по территории Забайкальского края
Большая приподнятость территории Забайкальского края и сильное радиационное охлаждение зимой определяют более низкую годовую температуру воздуха по сравнению с другими территориями, расположенными на аналогичных широтах. Практически вся территория Забайкальского края характеризуется отрицательными ее значениями, изменяясь в интервале от 0,0 С до значений около -10,0 С (рисунок 2.1).
Наименьших значений температура воздуха достигает в северных районах края. На юг от этого района происходит ее повышение. Ближе к центральной части региона она увеличивается. Наибольшие значения температуры воздуха отмечаются в юго-восточных районах края.
Среднеквадратическое отклонение годовой температуры воздуха за период 1976-2013 гг. не превышает 1,1 С (таблица 2.1). Значения медленно увеличиваются к северу и северо-востоку с ростом континентальности климата.
Пространственное распределение температуры воздуха претерпевает изменения в течение всего года. Разность между средними месячными температурами в разных районах Забайкальского края в холодное время года значительна. Так в декабре она составляет около 17,0 С, в ноябре и январе – около 15,0 С. Наиболее высокая средняя температура января – самого холодного месяца – отмечается на метеостанции Улеты (-20,1 С), а наиболее низкая – в районе метеостанции Средний Калар (-35,1 С). По мере повышения среднемесячных температур от зимних месяцев к летним происходит уменьшение их пространственной изменчивости и уже летом разность между средними месячными температурами в разных районах края не превышает 6,0-7,0 С. Среднеиюльская температура воздуха меняется от 14,5 С на севере края (Катугино) до 20,4 С в юго-восточной части региона (Соловьевск).
Максимальное значение стандартного отклонения на территории исследуемого региона приходится на холодный период (рисунок 2.2), достигая в среднем по территории 2,7-3,0 С. Минимальные значения приходятся на период с июля по сентябрь (=1,2 С), что связано с минимальной временной изменчивостью температуры воздуха в эти месяцы.
Наиболее низкие абсолютные температуры характерны для севера Забайкальского края, где они опускаются ниже -55,0 С. При продвижении в южном и восточном направлении значения абсолютного минимума температуры воздуха увеличиваются. Практически для всей территории региона их значения находятся в пределах -45,0 4- -50,0 С (таблица 2.2).
Самые большие абсолютные максимумы температуры воздуха (более 38,0 С) отмечаются в юго-восточных районах Забайкальского края, где в некоторых пунктах их значения достигают 40,0 С и выше. Для большей части территории характерна максимальная температура 34,0 -г- 38,0 С.
Абсолютная амплитуда температуры воздуха в среднем по территории края превышает 87,0 С. В некоторых пунктах ее значения достигают 90,0 С и более, что объясняется, в частности, высотой местности.
На распределение атмосферных осадков в исследуемом регионе существенное влияние оказывает рельеф. Поэтому в степных районах юго-восточной части Забайкальского края (метеостанции Соловьевск, Борзя, Кайластуй) отмечается их наименьшее среднегодовое значение (около 300 мм осадков) в среднем за период 1976-2013 гг. Величина изменчивости в среднем составляет около 85 мм. Количество атмосферных осадков возрастает с высотой на склонах горных хребтов. Поэтому в горных северо-восточных районах рассматриваемого региона (рисунок 2.3) наблюдается наибольшее количество атмосферных осадков (более 500 мм). Величина в среднем для этого района равна 100 мм. Рисунок 2.3 – Распределение годовой суммы атмосферных осадков (мм) по территории Забайкальского края
Внутригодовое распределение атмосферных осадков в Забайкальском крае, как и на территории Забайкалья в целом, характеризуется неравномерностью, обусловленной воздействием муссонной циркуляции атмосферы. Эта территория относится к восточному сектору Центральной Азии с муссонным типом внутригодового распределения атмосферных осадков (Береснева, 2006).
Межгодовая изменчивость скорости ветра
Наблюдаемое изменение климата, как глобальное (Climate change, 2013), так и региональное (Обязов, 2010) оказывает как позитивное, так и негативное воздействие на различные сектора энергетической отрасли Российской Федерации (Стратегический…, 2005). Такое изменение сказывается на различных климатических характеристиках и прежде всего проявляется в повышении температуры воздуха и изменении количества осадков. Однако ярко выраженные тенденции имеет временной ход и других метеорологических факторов. В работах многих авторов указано об уменьшение скорости ветра не только в отдельных частях России, например, на севере (Мещерская и др., 2006), но и в целом по всей ее территории (Баранова и др., 2007; Булыгина и др., 2013).
По территории Забайкальского края за период с 1981 по 2013 гг. в среднем годовая скорость ветра понизилась на 0,08 м/с за10 лет (Носкова, Обязов, 2016). Тренд статистически достоверен при уровне значимости =5%. В различных районах края величина линейного тренда имеет не только отрицательные значения, но также и положительные (рисунок 3.6).
Уменьшение среднегодовой скорости ветра выявлено на 9 из 15 используемых метеостанциях, увеличение – лишь на 2. Наибольшее снижение произошло в Агинском, Чите, Борзе (на 0,25–0,27 (м/с)/10 лет). Такое значительное снижение величины скорости ветра в районе указанных метеостанций вызвано, вероятнее всего, застройкой территорий, прилегающих к метеорологическим площадкам. В Красном Чикое и Мангуте скорость ветра скорость ветра повысилась (на 0,06 и 0,05 (м/с)/10 лет соответственно). Указанные тренды статистически достоверны. Отсутствуют многолетние тенденции в рядах среднегодовой скорости ветра на 4 метеостанциях (Калакан, Кыра, Средняя Олекма и Сретенск).
Величина линейного тренда скорости ветра, осредненной по территории Забайкальского края, в целом отражает особенности изменения скорости ветра по отдельным станциям Забайкальского края (Приложение З). Это значение меняется в течение года. За период 1981-2013 гг. скорость ветра снизилась зимой на 0,06, летом и осенью на 0,08, а весной на 0,11 (м/с)/10 лет. Выявленные тренды статистически достоверны. Наибольшая величина линейного тренда среднемесячной скорости ветра отмечается в апреле, немного меньшая – в июне, ноябре и декабре (таблица 3.5). Скорость ветра осталась неизменной в феврале. Наименьшее значение величины линейного тренда приходится на август. В январе, апреле, июне-июле и в период с октября по декабрь линейные тренды среднемесячных скоростей ветра статистически значимы при 5%-ном уровне. В остальное время их достоверность при этом уровне значимости не подтверждается.
Из-за того, что средняя скорость ветра на большей части Забайкальского края уменьшилась, представляется интересным оценить эти изменения в разных диапазонах скоростей ветра. Анализ повторяемости ветра по градациям показал, что за период 1981-2013 гг. практически на всех станциях отмечено снижение повторяемости сильных ветров и на некоторых выявлено увеличение повторяемости слабых ветров. В последнее время на большей части исследуемых метеостанций почти прекратилось появление числа случаев со скоростью ветра более 6 м/с (таблица 3.7).
Только на метеостанциях Мангут и Калакан, расположенных в разных районах Забайкальского края (расстояние между ними более 600 км), отмечено небольшое увеличение повторяемости ветра указанной градации (таблица 3.7). Лишь в Калакане отмечен статистически достоверный тренд.
В интервале 4-5 м/с снижение повторяемости ветра составило от 0,10 %/10 лет в Александровском Заводе до 0,95 %/10 лет в Могоче. Ее увеличение в этой градации отмечено лишь в Мангуте. В среднем же по территории повторяемость ветров со скоростью более 4 м/с уменьшилась на 8 % за 10 лет.
В среднем по исследуемой территории незначительно изменилась повторяемость ветра в градации 2-3 м/с. Самый большой отрицательный тренд в рядах повторяемости ветра в этом диапазоне выявлен в Чите (3,66 %/10 лет, что составляет около 12 %/10 лет от средней годовой повторяемости ветра в этой градации скоростей). На метеостанции Средняя Олекма повторяемость ветра со скоростью 2-3 м/с, напротив, возросла примерно на 11 %.
В среднем по территории повысилась на 1,30 %/10 лет повторяемость ветра в градации 0-1 м/с Увеличение произошло от 0,55 % в Кыре до 5,74 %/10 лет в Чите. Снижение появления числа случаев ветра с этой скоростью выявлено на 4 метеостанциях (Красный Чикой, Мангут, Средняя Олекма и Сретенск).
В среднем же по территории повторяемость ветра со скоростью до 3 м/с увеличилась на 1,2 % за 10 лет.
Из вышеуказанного следует, что на тех метеостанциях, где среднегодовая скорость ветра увеличилась либо не изменилась, повысилась повторяемость ветра со скоростью 2-3 м/с и снизилось количество случаев со скоростью ветра 0-1 м/с (рисунок 3.6).
Во все сезоны года за исследуемый период времени произошло увеличение средней по территории повторяемости ветра со скоростью 0-1 м/с (рисунок 3.8). Появление числа случаев ветра со скоростью 4 м/с и более, напротив,
уменьшилось. Повторяемость ветра в градации 2-3 м/с также снизилась, за исключением весеннего сезона.
Среднее количество штилей в среднем по территории Забайкальского края повысилось незначительно (Носкова, 2014б) (на 0,50 % за 10 лет при средней повторяемости штилей около 40 %). Выявленный тренд статистически недостоверен.
Число штилей (таблица 3.7) уменьшилось на 7 и увеличилось на 8 станциях. Снижение повторяемости штилей больше всего проявилось в Красном Чикое (на 8,3 % за 10 лет от средней повторяемости штилей). Статистически достоверные положительные тренды отмечены в Борзе, Чаре, Чите. За 10 лет в Чите количество штилей увеличилось на 43 % от среднего значения, в Борзе – на 25 % от среднего значения.
Почти во все сезоны произошло снижение повторяемости штилей, осредненной по территории края. Статистически значимый тренд повышения количества штилей выявлен зимой. Здесь повышение в среднем произошло на 1,8 % за 10 лет. Значимые величины трендов получены в декабре и январе, составившие соответственно 2,9 и 2,4 % за 10 лет (рисунок 3.9). В остальные сезоны и месяцы тренды изменения числа штилей, статистически недостоверны при 5%-ном уровне значимости. За 10 лет величины линейных трендов повторяемости штилей весной, летом и осенью составляют 0,2 %, -0,3 % и 0,5 % соответственно.
Можно предположить, что увеличение количества штилей и большая их доля в общем числе измерений определили, в том числе, понижение средней скорости ветра на некоторых метеостанциях.
Анализ межгодовых изменений осредненных порывов скорости ветра показал, что произошло их уменьшение в 12 пунктах из 15 (таблица 3.8).
Статистическая достоверность значений этих трендов при уровне значимости =5% подтверждается на метеостанциях Борзя, Кыра, Менза, Нерчинский Завод, Средняя Олекма и Чара.
В среднем по территории Забайкальского края годовые значения порывов ветра уменьшились незначительно, на 0,34 м/с за 10 лет (около 1,5 % от осредненного значения). Уменьшение произошло практически во все месяцы (рисунок 3.10). Наибольшее снижение значений порывов ветра выявлено в апреле (5 % за 10 лет от осредненного значения), когда наблюдаются максимумы в годовом ходе средней скорости ветра (Носкова, 2012). Лишь в августе произошло незначительное увеличение значений порывов ветра (4 % за 10 лет от осредненной по территории величины). Значения выявленных трендов статистически незначимы.
Анализ временных рядов направлений ветра, осредненных по территории края, показал, что значительно увеличилась повторяемость северного ветра (на 1,12 % за 10 лет) (Носкова, 2014б) (таблица 3.9). Этот тренд статистически значим при 5%-ном уровне значимости. Самое большое ее повышение произошло в декабре (на 2,51 %), а наименьшее – в июне (на 0,35 %). Увеличение отмечено также в рядах повторяемости юго-западного направленя ветра (на 0,42 % за 10 лет), восточного (на 0,23 % за 10 лет) и северо-западного (на 0,11 % за 10 лет). В отдельные месяцы это повышение составляет до 0,60-1,10 %/10 лет. Достоверны тренды изменения юго-западного и восточного ветра.
Распределение прямой, рассеянной и суммарной радиации по территории Забайкальского края
Солнечная радиация определяет тепловой и радиационный балансы Земли и, соответственно, является одним из основных факторов, образующих климат. Количество солнечной радиации зависит от облачности и прозрачности атмосферы, а также условий подстилающей поверхности (высоты над уровнем моря, альбедо и закрытости горизонта).
Ее приход определяется такими астрономическими факторами, как продолжительность дня и высота солнца. Продолжительность дня на 15-е число месяца определяется по времени восхода и захода солнца.
Приход возможной суммарной радиации при безоблачном (ясном) небе на горизонтальную поверхность на территории Забайкальского края составляет за год около 6000-6700 МДж/м2, прямой – около 4900-5600 МДж/м2, рассеянной – около 1100-1200 МДж/м2 (таблица 4.7), с максимальными значениями в южных (Мангут) и юго-восточных (Борзя) районах и минимальными в центральной (Чита) и северной (Багдарин) части исследуемого региона.
При реальных условиях облачности на территорию Забайкальского края годовой приход суммарной радиации находится в диапазоне 3982-4859 МДж/м2 (таблица 4.8) при уменьшении с юга на север (230 МДж/м2). При этом суммы прямой радиации составляют 2221-2969 МДж/м2 (=170-290 МДж/м2), рассеянной – 1761-1963 МДж/м2 (=150-220 МДж/м2).
Наиболее благоприятные условия для поступления прямой солнечной радиации отмечены с октября по апрель (около 50-70 % от возможной), что объясняется наличием наименьшего количества облачности в этот период. Наибольшее количество солнечной радиации (574-678 МДж/м2 суммарной радиации, 326-407 МДж/м2 прямой) поступает в июне (рисунок 4.6). Максимум осредненных по территории значений рассеянной радиации приходится на май, достигая в среднем 264 МДж/м2. В пункте Чита наибольшее ее значение отмечается в июле. В декабре значение радиации оказывается наименьшим в году (71-126 МДж/м2 суммарной радиации, 32-70 МДж/м2 прямой радиации, 40-57 МДж/м2 рассеянной радиации) (см. таблица 4.8). Повышение сумм суммарной и прямой радиаций за месяц от февраля к марту обусловлено лучшей прозрачностью атмосферы в марте, а также быстрым ростом высоты солнца и продолжительности дня (Пигольцина, 2009).
Доля прямой радиации (и соответственно рассеянной) в суммарной радиации меняется в течение года (таблица 4.9). В северной и центральной части региона (Багдарин, Чита) в период с ноября по январь прямая радиация составляет 41-51 %, с февраля по октябрь – 53-60 %. На юге и юго-востоке Забайкальского края (Борзя, Мангут) прямая радиация в течение всего года составляет 51-66 % от суммарной.
В зависимости от облачного покрова в отдельные годы отношение прямой и рассеянной радиаций и значение суммарной радиации может существенно отличаться от средних величин. В связи с колебанием прихода радиации в отдельные годы происходит смещение максимума прямой и суммарной радиации с июня на июль или на май.
Радиационный баланс представляет собой результирующую прихода и расхода радиационного тепла на земной поверхности. От получающейся в результате величины радиационного баланса зависит, что будет происходить с этой поверхностью: нагревание или охлаждение. Радиационный баланс обусловлен многими факторами, главные из которых: широта местности, влияющая на суммарную радиацию, характер подстилающей поверхности и увлажнение территории, сказывающееся на альбедо и эффективном излучении.
Средний годовой радиационный баланс на рассматриваемой территории составляет от 1159 МДж/м2 в Багдарине до 1998 МДж/м2 в Борзе. Величина среднеквадратического отклонения в среднем составляет около 200 МДж/м2. Годовой ход месячных значений радиационного баланса при реальных условиях облачности в основном повторяет ход суммарной радиации. Период с положительным радиационным балансом длится 8 месяцев с марта по октябрь (рисунок 4.7). Смена знака радиационного баланса связана с датами образования и разрушения устойчивого снежного покрова (Кобышева и др., 2001). Наибольшая величина радиационного баланса отмечается в июне-июле, достигая 309-391 МДж/м2, наименьшая – в декабре (-49 – -92 МДж/м2). Определяющим фактором годового хода радиационного баланса на исследуемой территории наряду с высотой солнца является альбедо поверхности.
Максимальные суммы радиационного баланса могут превосходить указанные величины и достигать в среднем за год 1558-2571 МДж/м2 (таблица 4.10). В отдельные годы также может наблюдаться изменение времени перехода радиационного баланса от отрицательных значений к положительным и обратно, связанное с образованием и разрушением устойчивого снежного покрова в весенний и осенний сезоны.
Природный гелиоэнергетический потенциал на территории Забайкальского края
Количество солнечной энергии, которое может использоваться в данном географическом районе для получения как тепловой, так и электрической энергии носит название гелиоэнергетических климатических ресурсов. Так же, как и ветроэнергетика, гелиоэнергетика относится к традиционным способам получения энергии. Сегодня ее развитие – одна из важнейших задач современной энергетики.
Природные солнечные ресурсы региона составляют средние значения притока солнечной радиации и продолжительность солнечного сияния в данной местности.
В работе (Стадник и др., 2005) выполнено районирование территории России по потенциалу солнечной энергии с привлечением данных о среднем многолетнем режиме и пространственно-временной структуре солнечной радиации (рисунок 5.5). С точки зрения использования солнечной энергии в России район, включающий территорию Забайкальского края, является одним из наиболее перспективных после территорий, занимаемых Приморским краем, южной частью Хабаровского края и Амурской области и югом европейской части России.
Для оценки потенциальных гелиоэнергетических ресурсов следует учитывать комплекс климатических характеристик, входящих в состав гелиоэнергетического кадастра рассматриваемой территории (Рекомендации…, 1987): данные о солнечной радиации, продолжительности солнечного сияния, об облачности. Анализ этих данных позволяет сделать выводы о перспективах практического использования солнечной энергии в этом регионе.
Многолетние данные наблюдений на актинометрических пунктах представляют собой наилучшие сведения о потенциальных гелиоэнергетических ресурсах региона. В пределах Забайкальского края действует три таких пункта: Борзя, Мангут, Чита, расположенные южнее 52 с.ш., в то время как исследуемый регион располагается до 58 с.ш. Поэтому для анализа используются также данные актинометрического пункта Республики Бурятия Багдарин, которые позволяют косвенно оценить распределение радиации на севере края.
Расчет природного гелиоэнергетического потенциала Wприр.производится по формуле (Безруких, 2003):
В связи с тем, что количество актинометрических пунктов значительно меньше, чем обычных метеостанций и, соответственно, данных с таких пунктов недостаточно для оценки пространственного распределения гелиоэнергетических ресурсов, то для расчета месячного прихода солнечной энергии используют различные косвенные методы. В данной работе применяется 2 способа для расчета суммарной радиации с привлечением данных об относительной (1 способ) и абсолютной (2 способ) продолжительности солнечного сияния за каждый месяц.
Расчет по 1 способу предполагает использование следующей формулы (Кондратьев, 1969):
Эмпирический коэффициент "a" в (5.5) характеризует долю суммарной радиации, прошедшей через облака, коэффициент "b" - процент задержанной облаками радиации. Параметр b равен 0,38 (Берлянд, 1961). Параметр a изменяется в зависимости от широты. Для территории Забайкальского края, расположенной между 49 и 58 северной широты используются следующие значения: a =0,40 0=50) и a =0,41 О =55).
В формуле (5.6) I (Вт/м2) - средняя мощность прямого солнечного излучения на нормально ориентированную к солнечному излучению приемную площадку (Виссарионов и др., 2008), которая может быть определена по формуле
Используя формулы (5.5) и (5.10), были рассчитаны месячные суммы прихода суммарной радиации для территории Забайкальского края. Значения суммарной радиации приведены к кВтч/м2.
Для оценки надежности расчетов произведено сравнение расчетных и фактических сумм суммарной радиации (рисунок 5.6). Вычисленные месячные суммы по 1 способу превышает действительные во все месяцы на 43-73 %, при этом наибольшие отклонения (от 60 до 73 %) выявлены в августе-октябре, наименьшие (до 50 %) - в отдельные месяцы зимнего периода. Отклонение от измеренных в среднем за год составляет около 50 %.
Погрешность рассчитанных значений суммарной радиации по способу 2 в среднем за год меньше, чем по 1, и составляет менее 25%. Это объясняется тем, что рассчитанные значения сумм радиации январе и ноябре-декабре превышают действительные значения (в среднем на 28-66 %), а в период с марта по сентябрь оказываются значительно ниже их (в среднем на 20-41 %). В феврале и октябре вычисленные суммы радиации близки к действительным. Здесь погрешность в расчетах колеблется в пределах 2-3 %.
Для расчета годовых сумм суммарной солнечной радиации в некоторых работах, в частности в (Севастьянова, Никольченко, 2012), применяется уравнение множественной регрессии, в котором искомая функция зависит от продолжительности солнечного сияния и широты места.
Анализ зависимости суммарной солнечной радиации на территории Забайкальского края от продолжительности солнечного сияния, общей и нижней облачности, а также широты местности показал, что значения суммарной радиации несколько больше зависят от числа часов солнечного сияния, чем от облачности и широты местности. Коэффициент корреляции между суммарной солнечной радиацией и количеством солнечного сияния (RQ,SS) составляет 0,69, а между радиацией и облачностью (RQ,О.Н) – 0,43 (таблица 5.3).
Несколько больше влияние на суммарную радиацию оказывает совместное влияние всех перечисленных факторов. Это влияние оценивается множественным коэффициентам корреляции. Для используемых переменных он составляет 0,76±0,04.
Построенное для территории Забайкальского края уравнение множественной регрессии имеет вид
Сравнение данных, полученных по данной формуле, с фактическими годовыми суммами суммарной радиации показало, что расчетное значение суммарной радиации меньше фактического в Мангуте и Чите в среднем на 2 и 4 МДж/м2 соответственно, в Борзе в среднем больше на 5 МДж/м2, т.е. погрешность расчета данным способом составляет 0,11 % в Борзе, 0,08 % в Мангуте и 0,04 % в Чите, в то время как погрешность данных, полученных по сетевым наблюдениям, составляет 1,5-2,0 % (Пивоварова, 1977).
Данные, полученные по указанной выше формуле для Забайкальского края, дают возможность использовать большее количество метеостанций для анализа природного гелиоэнергетического потенциала на данной территории (рисунок 5.7).
Распределение на территории Забайкальского края годовых значений природного гелиоэнергетического потенциала, рассчитанного по формуле (5.12), сходно с распределением других характеристик, входящих в состав гелиоэнергетического кадастра (продолжительностью солнечного сияния, облачностью).
Анализ годового хода значений суммарной радиации по данным актинометрических пунктов Забайкальского края и пункта Багдарин показал, что на лето приходится около 38 % от годового прихода суммарной солнечной радиации, на весну несколько меньшее (34 %). Зимой и осенью поступает наименьшее в году количество радиации (10 % и 17 % соответственно).
Наибольшие значения Wприр. в течение года (рисунок 5.8) характерны в среднем для мая-июля (около 164 кВтч/м2), наименьшие – для октября-февраля (менее 50 кВтч/м2). В марте-апреле и августе-сентябре это значение составляет более 120 кВтч/м2.