Содержание к диссертации
Введение
1. Микроклиматическая изменчивость прямой радиации в условиях сложного рельефа 20
1.1. Суточный ход прямой радиации на склонах разной экспозиции и крутизны 21
1.2. Определение диапазона углов наклона склонов, имеющих повышенный энергетический потенциал 34
1.3. Изменение режима инсоляции склонов в зависимости от их крутизны и ориентации 38
1.4. Влияние закрытости горизонта на продолжительность инсоляции склонов 46
1.5. Микроклиматическая изменчивость прямой радиации на
склонах с учетом влияния закрытости горизонта 53
2. Методы расчета и количественная оценка изменчивости рассеянной и отраженной радиации в сложном рельефе 66
2.1. Методика учета анизотропности распределения рассеянной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность в условиях закрытого горизонта 68
2.2. Влияние закрытости горизонта на приход рассеянной и отраженной радиации к склонам при ясном небе 73
2.3. Влияние закрытости горизонта на приход рассеянной и отраженной радиации к слонам при действительных условиях облачности 78
3. Пространственно-временная изменчивость суммарной радиации и радиационного баланса с учетом влияния закрытости горизонта
3.1. Влияние закрытости горизонта на режим суммарной радиации горизонтальной поверхности 86
3.2. Микроклиматическая изменчивость суммарной радиации на склонах разной экспозиции и крутизны 94
3.3. Метод расчета радиационного баланса склонов в условиях закрытого горизонта 100
3.4. Влияние закрытости горизонта на эффективное излучение склонов 104
3.5. Пространственно-временная изменчивость радиационного баланса при различной величине закрытости горизонта 110
4. Влияние закрытости горизонта на режим инсоляции стен зданий при разных типахгородской структуры 130
4.1. Продолжительность облучения стен разной ориентации открыто стоящих зданий 132
4.2. Влияние закрытости горизонта на продолжительность облучения стен при периметральном типе застройки 138
4.3. Метод расчета режима инсоляции стен зданий при линейном типе застройки улиц 142
4.4. Простраственно-временная изменчивость продолжительности облучения стен при различных параметрах линейной застройки 156
5. Мезо-, микроклиматическая изменчивость и районирование ресурсов солнечной радиации 172
5.1. Мезоклиматическая изменчивость показателей радиационного режима в разных климатических зонах 173
5.2. Принципы мезоклиматичекого районирования ресурсов солнечной радиации 176 Стр.
5.3. Микроклиматическая изменчивость фотосинтетически активной радиации (ФАР) за вегетационный период 185
5.4. Микроклиматическая изменчивость ФАР и радиационного баланса за безморозный период 188
5.5. Влияние закрытости горизонта на микроклиматическую изменчивость ресурсов солнечной радиации 202
6. Влияние микроклиматообразующих и циркуляционных факторов на тепловые ресурсы почв 208
6.1. Влияние погодных условий на микроклиматическую изменчивость температуры почвы 212
6.2. Влияние погодных условий на изменение показателей теплообеспеченности почвы 225
6.3. Динамика термического режима торфяно-болотных почв под влиянием мелиоративных мероприятий 234
6.4. Изменение гидротермического режима почвы в зависимости от почвенно-орографических факторов и погодных условий 249
7. Мезо- и микроклиматические ресурсы как экологический фактор устойчивого развития сельскохозяйственного производства 257
7.1. Влияние мезо- и микроклиматической изменчивости ФАР
на потенциальную урожайность сельскохозяйственных культур 259
7.2. Методика расчета действительно возможной урожайности в условиях неоднородной деятельной поверхности 265
7.3. Комплексное влияние мезо- и микроклиматической изменчивости теплоэнергетических ресурсов и влажности почвы на урожайность сельскохозяйственных культур 268
7.4. Агроэкологичекие ниши и их использование при выработке Стр.
стратегии рационального сельскохозяйственного землепользования 275
Результаты работы и основные выводы 283
Литература
- Изменение режима инсоляции склонов в зависимости от их крутизны и ориентации
- Влияние закрытости горизонта на приход рассеянной и отраженной радиации к склонам при ясном небе
- Микроклиматическая изменчивость суммарной радиации на склонах разной экспозиции и крутизны
- Метод расчета режима инсоляции стен зданий при линейном типе застройки улиц
Введение к работе
Актуальность темы. Достижение высокого уровня рационального использования природно-климатического потенциала конкретных территорий различными отраслями .экономики . всегда остаётся первостепенно важной и современной задачей. Одним из основных путей решения этой сложной проблемы является детальное изучение климатических условий территорий в мезо- и микромасштабах. Учёт мезоклиматической изменчивости существенно уточняет зональные показатели климата. Учёт микроклиматической неоднородности даёт возможность оценить локальный метеорологический режим с любой степенью подробности, вплоть до отдельных сельскохозяйственных полей, урбанизированных и рекреационных территорий, биогеоценозов и т.д. Научно- практическая значимость мезо- и микроклиматических исследований заключается в том, что они позволяют не только выявить и оценить существующие естественные ресурсы, но и обосновать пути их лучшего использования. В связи с эти весьма актуальной является задача получения максимально полной информации о климатических ресурсах страны, соответствующей мезо- и микроклиматической ступеням детализации.
Школа классической микроклиматологии, основанная в Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова, обеспечила развитие фундаментальных исследований в этой области, направленных на изучение микроклиматообразуюших факторов, определяющих многообразие микроклиматов. В результате были получены обобщенные количественные значения микроклиматической изменчивости основных элементов климата и разработаны методы оценки микроклиматических ресурсов для территорий, недостаточно освещенных данными метеорологических наблюдений (Гольцберг И. А., Романова Е. Н., Вереснева И. А., Мищенко 3. А., Адаменко В. Н., Горышина Н. Г., и др.).
Сохраняя принципы преемственности, автором диссертации были продолжены теоретические и экспериментальные изыскания в данном направлении по ряду вопросов, требующих более глубокого изучения или практически не разработанных. К таким вопросам в первую очередь относятся радиационные факторы мезо- и микроклимата в условиях сложного рельефа и временная изменчивость микроклиматических различий термического режима почвы в зависимости от синоптических процессов.
Актуальность проведения научных исследований по указанным проблемам определяется их практической направленностью. Из всех отраслей экономики наиболее сильно от радиационно-тепловых ресурсов и их внутризональной трансформации зависят сельскохозяйственное производство и градостроительство, поскольку учёт энергетики мезо- и
микроклимата является одним из важнейших факторов повышения продуктивности конкретных хмельных угодий и комфортности жилых помещений и территорий застройки. В связи с чем полученные в диссертации результаты по мезо- и микроклиматической изменчивости теплоэнергетических ресурсов были специализированы, главным образом, для учёта их в данных отраслях экономики с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур и оптимизации градостроительных решений.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является детальное изучение теплоэнергетического потенциала климата в условиях сложного рельефа Российской Федерации для совершенствования системы хозяйственной эксплуатации земельного^ фонда страны и рационального использования'1 ее природно-климатических ресурсов применительно к различным отраслям -экономики.
В связи с этим необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать методику расчета радиационного баланса и его
составляющих в условиях сложного рельефа с учетом влияния закрытости
горизонта;
разработать принципы мезо климатического районирования ресурсов солнечной радиации с учётом микроклимата и выполнить на конкретных примерах районирование территорий с различной степенью неоднородности подстилающей поверхности;
количественно оценить мезо- и микроклиматическую изменчивость ресурсов солнечной радиации в разных климатических зонах;
адаптировать разработанную методику расчета радиационного режима в условиях сложного рельефа для урбанизированных территорий и получить пространственно-временную изменчивость режима инсоляции стен зданий при разных типах городской застройки;
выявить и оценить степень влияния различных синоптических процессов на пространственную неоднородность термического режима пахотного слоя почв разного механического состава;
на основе специальных экспериментальных исследований выявить микроклиматические особенности термического режима почвы и приземного слоя воздуха мелиорируемых торфяно-болотных почв:
разработать методику и дать количественную оценку комплексного влияния мезрт и микроклиматической изменчивости теплоэнергетических ресурсов и условий увлажнения на потенциальную и действительно ^возможную урожайность сельскохозяйственных культур.
Задачи исследования определили логическую последовательность этапов изучения и изложения полученных по проблемам результатов.
Методика исследований и исходная информация. Для решения поставленных в диссертации задач применялись методы сравнительного географического анализа и климатологических обобщений; методы
моделирования пространственной изменчивости составляющих радиационного баланса в сложном ..рельефе; методы расчет агроклиматических показателей и урожайности в условиях неоднородной деятельной поверхности; картографический метод составления полей мезоклиматической изменчивости . ресурсов солнечной радиации, потенциальной и действительно возможной урожайности; методика проведения, обработки и обобщения результатов экспериментальных микроклиматических исследований.
В качестве исходной информации использовались данные наблюдений сети метеорологических, актинометрических и агрометеорологических станций, как средние многолетние, так и за отдельные годы. Кроме того, использовались .материалы экспериментальных микроклиматических исследований, полученные автором на производственных полях Кировской луго-болотной опытной станции и на сельскохозяйственных угодьях совхоза "Петровский" Ленинградской области.
Сочетание теоретического и натурно-экспериментального подхода обеспечивает надёжность полученных результатов.
Научная новизна работы. Представленная диссертационная работа является первым, выполненным по единой системе, комплексным научным исследованием по установлению количественных закономерностей формирования теплоэнергетических ресурсов мезо- и микроклимата в разных климатических зонах России. При этом впервые:
- разработана методика учёта влияния закрытости горизонта при
расчетах составляющих радиационного баланса на склонах разной
экспозиции и крутизны;
установлены закономерности пространственно-временной изменчивости радиационного баланса и его составляющих в условиях сложного рельефа при различной степени закрытости горизонта;
проведена сравнительная оценка и выявлен диапазон мезо- и микроклиматической изменчивости теплоэнергетических ресурсов в разных климатических зонах России в пределах территорий субъектов РФ, районов и земельных выделов более мелкого масштаба;
разработаны принципы детального районирования показателей радиационного режима и выполнено мезоклиматическое районирование ресурсов фотосинтетически активной радиации (ФАР) за безморозный период с учетом микроклимата для контрастных по климатическим условиям областей;
- разработан удобный для практического использования графический
метод оценки режима инсоляции стен зданий с учетом закрытости
горизонта при любых параметрах линейной застройки;
- дана оценка степени влияния различных' синоптических процессии
на микроклиматическую изменчивость термического режима почв ра<нои>
механического состава;
получены количественные значения влияния выработки и минерализации осушенных торфяных почв на изменение термических характеристик почвы и воздуха; определена зависимость между минимальными температурами на поверхности торфяныч почв рассмотренного типа и минеральной почвы на суходоле;
выявлено наличие весьма больших различий температуры мелиорированной торфяной почвы в разных ((юрмах микрорельефа и определен характер изменчивости этих различий на разных глубинах в суточном ходе;
- установлена зависимость температуры осушенной торфяной почвы
на разных горизонтах и скорости ее изменения с глубиной от мощности
залегания торфа;
- проведена оценка влияния микроклиматических особенностей
территории на изменение агроклиматических условий произрастания
сельскохозяйственных культур;
разработан метод расчета потенциальной (ПУ) и действительно возможной (ДВУ) урожайности сельскохозяйственных культур, основанный на комплексном учете мезо- и микроклиматической изменчивости теплоэнергетических ресурсов и условий увлажнения;
предложена мезомасштабная модель районирования ПУ и ДВУ с учетом микроклимата; выполнено мезоклиматическое районирование ПУ и ДВУ картофеля на примере Ленинградской области; для каждої о мезорайона приведена оценка возможных вариаций урожайности в зависимости от микроклиматических особенностей территории.
Предмет зашиты. Предметом защиты является теоретическое
обобщение и решение крупной научной проблемы по выявлению
пространственно-временных закономерностей изменения
теплоэнергетических ресурсов климата в мезо- и микромасштабах на территории России, направленное на удовлетворение современных потребностей различных отраслей экономики, в особенности, для повышения продуктивности сельскохозяйственного производства и оптимизации градостроительных концепций и решений.
Основные положения, выносимые на_защиту: 1 - методы оценки влияния закрытости горизонта на радиационный баланс и его составляющие в условиях сложного рельефа ;
- закономерности изменений пространственно-временной структуры
радиационного режима склонов разной экспозиции и крутизны в
зависимости от величины закрытости горизонта;
метод оценки и закономерности географической изменчивости режима инсоляции вертикальных поверхностей при разных типах городской структуры и параметрах застройки;
результаты количественной оценки мезо- и микроклиматической' изменчивости ресурсов солнечной радиации в разных климатических зонах страны;
- закономерности формирования микроклиматических различий
показателей теплообеспеченности пахотного слоя почвы под влиянием
погодных условий и мелиоративных мероприятий;
- метод комплексного исследования мезо- и микроклиматических
ресурсов продуктивности сельскохозяйственных культур.
Практическая ценность работы. Совокупность выполненных автором новых научных исследований теплоэнергетических ресурсов мезо- и микроклимата, основанных на комплексном учете естественных природных, антропогенных, почвенно-климатических и погодных факторов, определяет перспективность широкого использования полученных результатов при решении как научных, так и производственных задач.
Количественные данные о радиационном режиме конкретных участков сложного рельефа с учетом закрытости горизонта необходимьг для удовлетворения потребностей самых различных отраслей экономики; сельскохозяйственного производства, строительства, при решении многих практических задач гляциологии, горной метеорологии, при организации рекреационных зон и т.д.
Разработанный графический метод по' определению режима инсоляции стен зданий при различных параметрах застройки отвечает основным требованиям архитектурно-строительного проектирования, а именно, метод обладает наглядностью и простотой изготовления технической основы для решения практических задач по учёту инсоляции, поэтому необходимость и целесообразность его практического использования очевидны. Полученные количественные закономерности пространственно-временной изменчивости продолжительности инсоляции стен зданий при разных типах городской застройки необходимо использовать при разработках микроклиматических обоснований градостроительных концепций и решений на стадии проектирования с целью градостроительного регулирования инсоляции жилых и общественных зданий и оптимизации экологических условий жилой зоны.
Выполненные теоретические исследования и установленные закономерности формирования радиационного режима в различных климатических зонах с учетом мезо- и микроклимата позволяют на основе предложенных методов дополнить и существенно детализировать информацию об агроклиматических ресурсах в конкретных регионах, административных областях и отдельных хозяйствах с целью выявления
(>
как оптимальных, так и неблагоприятных районов и местоположении для выращивания сельскохозяйственных культур.
Результаты работы по выявлению влияния погодных условии и мелиоративных мероприятий на микроклиматическую изменчивость термического режима пахотного слоя почвы необходимо использовать при корректировке сроков проведения агротехнических мероприятий на конкретных территориях, а также при кадастровой оценке земель, при проведении землеоценочных работ, установлении размеров дифференцированной земельной ренты и т.п. Полученные новые сведения по термическому режиму мелиорированных торфяных почв могут использоваться при оценке возможности сельскохозяйственной эксплуатации осушенных территорий и прогнозе заморозков определенной интенсивности на торфяных почвах рассмотренного типа.
Предложенные методы расчетов урожайности с учетом мезо- и микроклиматических особенностей территории могут быть использованы для уточнения и конкретизации долгосрочных агрометеорологических прогнозов формирования урожая сельскохозяйственных культур, а также в, комплексных моделях продуктивности агроэкосистем.
В целом исследования, выполненные для сельскохозяйственного производства, позволяют выявить различн>то степень ценности полей севооборотов при размещении конкретных культур и дают возможность повышенияурожайности без дополнительных затрат.
Реализация работы. Методика расчета радиационного баланса и его составляющих в сложном рельефе изложена в разработанных автором диссертации "Рекомендациях по учету влияния защищенности горизонта на радиационный режим в условиях сложного рельефа". Предложенные методы, расчета микроклиматической изменчивости радиационных характеристик вошли в "Методические указания по обобщению результатов микроклиматических исследований для целей сельскохозяйственного производства" и в "Руководство по изучению микроклимата для целей сельскохозяйственного производства". Метод оценки мезоклиматических ресурсов солнечной радиации с учетом микроклимата апробирован при составлении мезоклиматических карт ряда областей ,., и ' реализован в "Рекомендациях по составлению мезоклиматических карт отдельных административных районов СССР".
Методика оценки возможных изменений урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от микроклиматических особенностей территории вошла составной частью в "Рекомендации по учету .микро- и мезоклиматической изменчивости основных метеорологических величин в масштабе РАПО при размещении основных сельскохозяйственных культур Нечерноземной зоны (на примере Ленинградской области)".
Большинство полученных в диссертации научных результатов получили практическую реализацию в различных отраслях экономики при выполнении хоздоговорных работ, а также при выполнении научно-исследовательских работ в рамках Федеральной целевой комплексной научно-технической программы "Экологическая безопасность России".
Апробация работы. Отдельные разделы работы докладывались и обсуждались на научной конференции "Современные проблемы и методы исследования агро- и микроклимата" (Таллин, 1976), на "Всесоюзной школе по динамическому моделированию в агрометеорологии" (Тбилиси, 1980), на научных конференциях ГГО им.А.И.Воейкова (С.-Петербург, 1981, 1983), на Всесоюзном научном совещании "Современные проблемы прикладной климатологии" (С.-Петербург, 1983), на метеорологической комиссии Всесоюзного географического общества (С.-Петербург, 1984), на "XY Международной конференции по метеорологии Карпат" (Ужгород, 1991), на оперативно-производственном совещании "Пути совершенствования гидрометобеспечения зернового хозяйства России" (Москва, Кучино, 1993), на международном семинаре "Современные тенденции в математическом моделировании агроэкосистем" (С.Петербург, 1997), на "Международном симпозиуме по обмену опытом в области экономической эффективности от использования гидрометеорологической информации различными отраслями экономики" (Москва, 1997).
Результаты работы неоднократно экспонировались в павильоне Гидрометслужбы на ВДНХ СССР (1977, 1980, 1983) и удостоены бронзовой медали.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем составляет 320 страниц, в том числе 180 страниц машинописного текста, 50 таблиц, 72 рисунка. Список литературы включает 334 наименования.
Изменение режима инсоляции склонов в зависимости от их крутизны и ориентации
Поступление радиационного тепла к деятельной поверхности в пересеченной местности очень сильно меняется на близких расстояниях. Одной из причин возникновения микроклиматических различий является неравномерное распределение солнечной радиации по склонам разной экспозиции и крутизны и в первую очередь это относится к прямой радиации, величина которой подвержена наибольшим изменениям в суточном и годовом ходе. Этот показатель очень чувствителен к микроклиматическим изменениям, дает возможность количественно оценить приход радиации в разных местоположениях и достаточно точно определить энергетические возможности как целых климатических зон, так и небольших конкретных территорий. Основные закономерности облучения наклонных поверхностей прямыми солнечными лучами даны в работах М.С.Аверкиева /1, 2/, А.Н.Гордова /76/, М.Н.Грищенко /88/, А.Ф.Захаровой /116/, К.Я.Кондратьева /138, 296 / и др./ 266, 268, 275, 287, 289, 290, 300, 312/. В настоящее время более полно изучены суточные суммы и значительно меньше исследований посвящено изменчивости суточного хода радиации на склонах, хотя данные по изменению суточного хода прямой радиации на склонах разной экспозиции и крутизны необходимы при решении многих научных и прикладных задач, например, при изучении ряда биологических и фотохимических процессов, происходящих в растениях и связанных с преобразованием солнечной энергии, при различных актиноклиматологических расчетах, при решении ряда вопросов строительного проектирования и т.д./50, 167, 183, 279/.
В работах /65, 66, 95, 104, 116, 267, 281, 317/ дается характеристика суточного хода прямой радиации для склонов некоторых экспозиций и углов наклона, конкретных дней года или месяцев, для отдельных широт или географических пунктов. В ряде исследований составляющие радиационного баланса были определены теоретическим или экспериментальным путем /16, 20, 35, 36, 252 и др./. Результаты исследований радиационного режима наклонных поверхностей обобщены в монографии К.Я.Кондратьева, З.И.Пивоваровой, М.П.Федоровой/146/.
Точные расчеты количества радиации, поступающей на склоны, довольно трудоемки. Эти расчеты значительно упрощаются, если использовать относительные значения радиации, т.е. коэффициенты для пересчета радиационных характеристик с горизонтальной поверхности на склоны. Для вычисления суточного хода прямой радиации на склонах разной экспозиции и крутизны применяются относительные часовые суммы (или часовые коэффициенты). Такие коэффициенты (Кч) рассчитаны Т. А. Го лубовой для склонов четырех основных экспозиций крутизной 10 за четыре месяца (I, IY, YI, IX) в диапазоне 42-66с.ш. и для склонов восточной (западной) ориентации крутизной 20 за теплое полугодие (ІУ-ІХ) с 38 по 72с.ш. /62, 63/.
Приведенные работы далеко не исчерпывают вопроса, а необходимость исследований радиационного режима склонов разной экспозиции и крутизны в суточном разрезе очевидна. В данной работе значения часовых коэффициентов нужны для изучения изменчивости радиационного режима склонов под влиянием закрытости горизонта. В связи с этим, проведен расчет относительных часовых сумм прямой радиации (Кч) для указанных выше склонов и диапазона широт /192, 194/. Вычисления проводились для середины часовых интервалов на 15 число каждого месяца по методике К.Я.Кондратьева//38/, согласно которой: Кч = cos а[ cos (fo -fn)/ tg h ] sin а (1.1) где ho и fo - высота и азимут Солнца; fn - азимут проекции нормали к склону на горизонтальную поверхность; а - угол наклона склона. Высота и азимут Солнца определялись по формулам: sin ho = sin ф sin 8 + cos ф cos 8 cos т, (1.2) sin f = (cos 5/cos ho) sin x, (1.3) где ф - географическая широта; 8 - склонение Солнца; т - часовой угол. По полученным коэффициентам и средним за месяц часовым суммам прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, можно легко получить суточный ход радиации на склонах: ZSc = КчЕБг, (1.4) где ZSc и ZSr - соответственно часовые суммы прямой радиации, поступающей на склон и горизонтальную поверхность; Кч - коэффициент для пересчета часовых сумм прямой радиации с горизонтальной поверхности на склон.
Необходимый для расчетов средний за месяц суточный ход радиации на горизонтальной поверхности может быть получен по данным самописцев или по наблюдениям в актинометрические сроки.
Очевидно, что различия в режиме суточного хода прямой радиации на склонах разной экспозиции и крутизны можно оценить по значениям коэффициентов Кч. На рис. 1.1. показано изменение относительных часовых сумм прямой радиации на северных (С) и южных (Ю) склонах крутизной 20 в зависимости от географической широты для июня. Значения коэффициентов Кч для северных и южных склонов симметричны относительно полудня. Наибольшие относительные величины прямой солнечной радиации на северных склонах наблюдаются утром и вечером, наименьшие - в дневное время. В утренние и вечерние часы коэффициенты Кч резко возрастают с севера на юг. Для южных склонов, наоборот, с севера на юг происходит уменьшение относительных часовых сумм прямой радиации и часовые коэффициенты увеличиваются от утра к полудню. Летом в утренние и вечерние часы южные склоны получают меньше лучистой энергии, чем северные.
Широтные изменения коэффициентов Кч для склонов других экспозиций отражены на рис. 1.2. Здесь дополуденные часы для северовосточных (СВ), восточных (В) и юго-восточных (ЮВ) склонов соответствуют послеполуденным для северо-западных (СЗ), западных (3) и юго-западных (ЮЗ) склонов, а послеполуденные часы для склонов СВ, В, ЮВ экспозиций - дополуденным для СЗ, 3 и ЮЗ склонов.
Влияние закрытости горизонта на приход рассеянной и отраженной радиации к склонам при ясном небе
При оценке радиационного режима склонов необходимо учитывать приход рассеяной и отраженной радиации. Определение прихода рассеяной радиации к наклонным поверхностям осложняется вследствие неравномерности распределения её интенсивности по небосводу /139, 158, 244, 288/. Поступление отраженной радиации к склонам также зависит от особенностей углового распределения потоков отраженной радиации/142, 145/.
Основные закономерности прихода рассеянной и отраженной радиации к различно ориентированным наклонным поверхностям изложены в работах К.Я. Кондратьева и М.П. Маноловой /140, 141, 144/. Исследования показывают, что расчеты потоков рассеянной и отраженной радиации на склоны, особенно большой крутизны, по формулам для изотропного приближения в большинстве случаев являются неудовлетворительными (исключая расчеты при сплошной облачности). Только для поверхностей с азимутами, перпендикулярными к азимуту солнца, изотропное приближение дает незначительную ошибку. Наибольшие азимутальные изменения в приходе рассеянной радиации к склонам, согласно /17, 318, 319/, наблюдаются при небольших высотах солнца (h), с ростом h эти изменения значительно убывают.
При расчете дневных сумм рассеянной и отраженной радиации влияние экспозиции склонов существенно уменьшается и использование изотропного приближения дает вполне удовлетворительные результаты /21, 143, 146/. Однако, в ряде работ указывается, что расчеты дневных сумм рассеянной радиации по формулам изотропного приближения справедливы только для склонов восточной и западной экспозиции. Суммы радиации для северного склона по экспериментальным данным М.П. Чижевской /252/ при безоблачном небе в марте будут на 4-5% завышены, а для южного склона - на 8-10% занижены (крутизна северного склона 10-12 , южного - 12-15). Согласно исследованиям И.П. Беляевой /33/, аналогичные соотношения при той же крутизне склонов в сентябре принимают значения для северной ориентации 7-8%, для южной - 6-8%о. Н.М. Копыловым /154/ по данным наблюдений К.Я. Кондратьева /138/ произведен приближенный расчет, согласно которому величина соотношения поступающей на склон рассеянной и отраженной радиации (D + г)с и рассеянной радиации, получаемой горизонтальной поверхностью ( Dr), при ясной погоде для склонов конкретной крутизны и ориентации принимается постоянной для всего теплого полугодия, различия в приходе рассеянной радиации к склонам указанной выше крутизны и горизонтальной поверхности составляют для северной экспозиции 5-6%), для южной - 6-8%. В работе /276/ указывается, что использование изотропного приближения распределения рассеянной радиации по небосводу влечёт за собой систематические ошибки для поверхностей южной ориентации более 10% при весьма большой изменчивости погрешностей в сезонном ходе.
Качественная сторона приведенных закономерностей прихода рассеянной радиации на северные и южные склоны справедлива, но количественных данных слишком мало, не известна точность их определения, не изучена временная и пространственная изменчивость указанных соотношений, хотя их величина будет зависеть от высоты солнца, а значит от времени года и широты места, что следует даже из сопоставления рассмотренных выше данных. В виду ограниченности и неадекватности приведенных количественных значений, причем только для северных и южных склонов, применение их в настоящей диссертационной работе для расчетов суточных сумм рассеянной радиации на склонах нецелесообразно. Для практического использования результатов этих исследований необходимо дальнейшее накопление эмпирического материала. Дневные суммы рассеянной и отраженной радиации на склонах, согласно /143/, можно определить по формуле: I (D + г)с = cos2 (а/2) Шг + sin2 (а/2) Zrr, (2.1) где (D + г)с - рассеянная и отраженная радиация, поступающая на склон, Dr и Гг - то же на горизонтальную поверхность, а - угол наклона склона. Сравнение результатов расчета по формуле (2.1) с измеренными значениями рассеянной и отраженной радиации, проведенное в работе /143/, показало довольно высокую точность вычислений дневных сумм радиации по формулам изотропного приближения.
Однако, в сложном рельефе при учете потерь рассеянной радиации вследствие закрытости горизонта необходимо учитывать условия распределения рассеянной радиации по небосводу.
Методика учета анизотропности распределения рассеянной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность в условиях закрытого горизонта
В работе /58/ экспериментальным путем получено распределение рассеянной солнечной радиации по кольцевым зонам небосвода при отсутствии облачности и приведена зависимость зональной радиации от высоты солнца. Эта зависимость для отдельных зон неба неодинакова и наиболее сильно проявляется для интегрального потока. Установлено, что потери радиации вследствие закрытости нижних кольцевых зон наибольшие при низких высотах солнца. На основании данных /58/ в настоящей работе составлена табл.2.1, характеризующая долю поступления рассеянной радиации на горизонтальную поверхность (ур) при различных углах закрытости горизонта (р) в зависимости от высоты солнца (h).
Микроклиматическая изменчивость суммарной радиации на склонах разной экспозиции и крутизны
Таким образом, количественные значения эффективного излучения склонов, полученные при допущении изотропности, будут несколько занижены, что вызывает соответствующее завышение величины радиационного баланса склонов (Rpc). Однако, ошибка изотропного приближения при расчетах относительных значений радиационного баланса в 2 раза меньше, чем при расчетах эффективного излучения и в течение теплого полугодия для склонов крутизной 40 не превышает 3% в условиях незащищенного горизонта и 2% при закрытости горизонта 45.
Поэтому, при решении большинства практических задач и при сравнительном анализе пространственно-временной изменчивости эффективного излучения и радиационного баланса под влиянием закрытости горизонта, эффектом диффузности длинноволновой радиации можно пренебречь. В случае необходимости более точного определения величины радиации для склонов большой крутизны (30 -40) при значительной степени закрытости горизонта (30 - 45), можно использовать в виде поправки полученные различия относительных величин эффективного излучения лКррс.
Проведенные расчеты показывают, что закрытость горизонта оказывает существенное влияние на величину длинноволновой радиации деятельной поверхности (Рис.3.8). Наименьшие потери эффективного излучения под влиянием закрытости горизонта отмечаются на горизонтальной поверхности и при закрытости горизонта 45 составляют 33%.
На склонах потери радиации несколько больше, чем на горизонтальной поверхности, причем с увеличением угла закрытости горизонта влияние крутизны склонов на эффективное излучение
Изменение относительных значений эффективного излучения горизонтальной поверхности (Крр) и склонов (KF C) В зависимости от угла закрытости горизонта ф). Июнь, широта 50с. г.п. - горизонтальная поверхность; Цифры у изолиний означают угол наклона склонов. no уменьшается, то есть различия эффективного излучения между склонами разной крутизны сглаживаются. Так, при закрытости горизонта 10 разность эффективного излучения между склонами крутизной 10 и 40 составляет 22%, а при закрытости 45 - только 15% (Рис.3.8).
Относительные значения эффективного излучения незатененных склонов зависят только от угла наклона склонов и являются величиной постоянной для всех широт (Fc/F = cosa). В условиях защищенного горизонта возникает широтная зависимость: относительные значения эффективного излучения склонов ( KF C) закономерно уменьшаются с увеличение широты, и чем больше угол закрытости горизонта, тем существеннее широтные изменения.
Например, для склонов крутизной 20 диапазон изменений Кире в пределах рассматриваемых широт составляет при р = 10 всего 1%, при Р = 30 он возрастает до 8%, а при р = 45 - достигает 21% (Рис.3.9).
Таким образом, влияние закрытости горизонта на длинноволновый баланс деятельной поверхности также велико, как и на приход коротковолновой солнечной радиации.
Проведенные по изложенной выше методике расчеты радиационного баланса для горизонтальной поверхности и склонов разной экспозиции и крутизны при различных углах закрытости горизонта показывают, что изменения радиационного баланса под влиянием закрытости горизонта очень значительны и превышают соответствующие изменения суммарной радиации /199, 201/. Под влиянием закрытости горизонта радиационный баланс деятельной поверхности уменьшается, однако, величина потерь радиационного тепла зависит от экспозиции и крутизны склонов Ill i.Q 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 ач r I—I 1 1 J J і y 48 52 56 GO 6 4 6 Рис.3.9. Зависимость относительного эффективного излучения склонов (Ктрс) крутизной 20 от широты при различных углах закрытости горизонта. Июнь. Цифры у изолиний означают угол закрытости горизонта. 112 (Табл.3.5). При одном и том же значении угла закрытости горизонта на склонах с северной составляющей (С, СВ, СЗ) происходит более резкое уменьшение радиационного баланса, чем на склонах южной части горизонта (Ю, ЮВ, ЮЗ). Например, при закрытости горизонта 20 потери радиационного баланса на северных склонах больше по сранению с южными в 1,3 раза при крутизне склонов 10 и в 2,3 раза при крутизне 40.
На восточных и западных склонах небольшой крутизны (до 20) потери радиационного баланса за счет закрытости горизонта мало отличаются от аналогичных потерь на горизонтальной поверхности. Для более крутых восточных и западных склонов характерно уменьшение значений радиационного баланса по сравнению с горизонтальной поверхностью при тех же углах закрытости горизонта (Табл.3.5). Радиационный баланс горизонтальной поверхности при закрытости горизонта 45 составляет всего 49% от его величины на открытом ровном месте.
Различия радиационного баланса в зависимости от экспозиции для незатененных склонов (Р =0) крутизной 10 составляют всего 8% по всему кругу горизонта. На более крутых склонах микроклиматическая мзменчивость радиационного баланса увеличивается и указанные различия на склонах крутизной 20 , 30 и 40 достигают значений 16, 26 и 33% соответственно.
В условиях закрытого горизонта зависимость радиационного баланса от экспозиции склонов возрастает. На рис.3.10 представлено изменение разности относительных значений радиационного баланса южных и северных склонов (KRpc) ОТ величины угла закрытости горизонта. Рисунок наглядно показывает, что при небольших углах
Метод расчета режима инсоляции стен зданий при линейном типе застройки улиц
Солнечная радиация оказывает большое влияние на режим тепла и влаги земельных угодий и является одним из главных факторов, обуславливающих основные процессы жизнедеятельности растений. Особо важное значение для роста и развития растений имеет фотосинтетически активная радиация (ФАР) - часть коротковолновой солнечной радиации, которая ограничена длинами волн 0,38-0,71 мкм /176/.
Для большинства сельскохозяйственных культур периодом активной вегетации является период со средней суточной температурой воздуха выше 10С. От накопления сумм суммарной ФАР за этот период зависит рост и развитие выращиваемых культур, степень их вызревания и урожайность.
Суммы ФАР, рассчитанные за безморозный период, хорошо отражают запасы энергетических ресурсов для сельскохозяйственных растений и их изменчивость под влиянием неоднороднородностей подстилающей поверхности. Поэтому в данной работе при оценке радиационного режима территории основное внимание было уделено указанным характеристикам.
Для выявления закономерностей и диапазона мезо- и микроклиматической изменчивости ФАР за период активной вегетации растений были выбраны четыре области, расположенные в разных климатических зонах: Псковская, Смоленская, Оренбургская и Целиноградская. Мезо- и микроклиматическая изменчивость ФАР и радиационного баланса за безморозный период рассмотрены на примере Ленинградской и Оренбургской областей.
Для определения месячных величин ФАР использовались данные Справочников по климату СССР ч.1 по прямой и рассеянной радиации при действительных условиях облачности /227/. Так как ограниченное количество материалов по радиационным характеристикам для указанных областей не позволяет дать распределение энергетических ресурсов по их территориям, привлекались данные близлежащих актинометрических станций соседних районов, затем проводилась интерполяция полученных величин /55, 134/. Для расчета средних месячных значений суммарной ФАР использованы данные 33 актинометрических станций.
Значения средних за месяц дневных сумм фотосинтетически активной радиации были получены путем пересчета средних за месяц дневных сумм прямой и рассеянной радиации для месяцев вегетационного периода по формуле/171, 236/: Q i = 0,43 S + 0,57 D, (5.1) где ЗФ - фотосинтетически активная радиация; S - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность; D - рассеянная солнечная радиация.
Суммы ФАР за период активной вегетации были рассчитаны в соотвествии с агроклиматическим районированием рассматриваемых областей /3, 4, 5, 7, 8/ по датам начала и конца вегетационного периода для каждого агроклиматического района /196/. Полученные фоновые значения сумм ФАР соответсвтуют данным карты распределения ФАР за период с температурой воздуха выше 10С, построенной Н.А.Ефимовой /108/.
Анализ результатов показал, что в зависимости от широты места, физико-географических и циркуляционных факторов ресурсы фотосинтетически активной радиации изменяются в широких пределах. Суммы ФАР за вегетативный период, осредненные по агроклиматическим районам, изменяются от 1020 МДж/м2 в Псковской области до 1400 МДж/м2 в Целиноградской области, увеличиваясь с уменьшением широты (Табл.5.1). Различия фондовых значений ФАР между агроклиматическими районами составляют в Псковской области 50 МДж/м2, В Смоленской - 60, в Оренбургской - 70 и в Целиноградской области - 170 Мдж/м2.
В каждом агроклиматическом районе в зависимости от его протяженности по широте и условий облачности величина сумм ФАР также меняется по территории ( преимущественно, увеличиваясь с севера на юг). Диапазон этой изменчивости составляет от 20 до 130 МДж/м2. В целом в пределах областей вариации сумм фотосинтетически активной радиации за вегетационный период достигают 110 - 240 МДж/м2. Как видно из приведенных материалов, ресурсы ФАР на территории административных областей изменяются в широких пределах. Однако, суммы ФАР за период активной вегетации растений, т.е. за период с температурой воздуха выше 10С, обычно принимаемые в качестве основного показателя энергетических ресурсов произрастания сельскохозяйственных культур, недостаточно детально выделяют климатические различия разных частей области. В зависимости от континентальности климата и местоположения сельскохозяйственного поля в условиях неоднородной деятельной поверхности продолжительность периода активной вегетации может существенно сокращаться заморозками /37, 38, 68, 69/, что влечет за собой сокращение сумм ФАР, которые могут быть производительно использованы растениями. Это приводит к невызреванию сельскохозяйственных культур, их повреждению, а иногда и гибели. Таким образом, суммы ФАР, рассчитанные за безморозный период, гораздо лучше отражают запасы энергетических ресурсов для сельскохозяйственных растений. Климатически обеспеченный уровень энергетических ресурсов и их трансформация под влиянием мезомасштабных неоднородностей деятельной поверхности оценивается с помощью мезоклиматического районирования.
