Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование эритемной ультрафиолетовой радиации 12
1.1. Факторы, влияющие на распределение естественной ультрафиолетовой радиации 12
1.2. Распределение ресурсов естественной ультрафиолетовой радиации на территории России 15
Глава 2. Особенности режима эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России 22
2.1. Характеристика исходных данных и методы их обработки 22
2.2. Средняя многолетняя эритемная ультрафиолетовая радиация на территории России 32
2.3. Анализ изменчивости эритемной ультрафиолетовой радиации 43
2.4. Показатели асимметрии и эксцесса эритемной ультрафиолетовой радиации 52
Глава 3. Пространственная структура эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России 59
Глава 4. Районирование территории России по статистическим характеристикам эритемной ультрафиолетовой радиации 65
Заключение 87
Список литературы 91
Приложение 102
- Распределение ресурсов естественной ультрафиолетовой радиации на территории России
- Средняя многолетняя эритемная ультрафиолетовая радиация на территории России
- Анализ изменчивости эритемной ультрафиолетовой радиации
- Пространственная структура эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России
Введение к работе
Солнечная радиация, включая ультрафиолетовый (УФ)-спектр, является одним из основных климатообразующих факторов. Известно, что человек чутко реагирует на изменение количества поступающей УФ-радиации, поэтому повышение уровня УФ-радиации, вызываемое различными причинами, считается одной из наиболее важных проблем в последние десятилетия.
Под естественным ультрафиолетовым излучением понимается излучение, которое падает на поверхность Земли либо непосредственно от Солнца либо от неба и облаков в виде рассеянного и отраженного излучения [6]. Ультрафиолетовое излучение условно делится на три поддиапазона длин волн: А - от 315 до 400 нм, В - от 280 до 315 нм, С - короче 280 нм. Наиболее важным и очевидным проявлением действия коротковолновой УФ-радиации на человека является образование фотоэритемы и те последующие реакции, которые развиваются вслед за ее появлением. Наибольшие длины волн, вызывающие эритему, лежат между 315 и 320 нм. Ультрафиолетовая радиация данного диапазона называется эритемной ультрафиолетовой радиацией (ЭУФР).
Определенные дозы УФ-облучения необходимы и оказывают позитивное влияние на организм человека. УФ-излучение не относится к повреждающей ионизирующей радиации, но, попадая на кожу человека, вызывает фотоэлектрический и люминесцентный эффект. Проникая в кожу всего на 0,5 мм, оно способно оказать местное и общее действие на лимфо - и кровообращение [72]. Вредные последствия для человека вызывает УФ-недостаточность, которая отмечается в полярных и субполярных областях земного шара. Однако, для здоровья человека весьма опасна передозировка естественной УФ-радиацией, в результате которой происходят нежелательные процессы в его организме, вызывающие серьезные заболевания [30,43,93]. Известно, что УФ-радиация оказывает не только
позитивное, но и негативное влияние как на отдельные органы человека, так и на иммунную систему в целом [13]. В случаях непривычно избыточного действия УФ-радиации, кроме ожогов, возможны фотодерматозы и конъюнктивиты. Глаз - это орган наиболее подверженный влиянию УФ-радиации. Роговая оболочка поглощает почти всю УФ-радиацию на длинах волн ниже примерно 300 нм. На длинах волн более 300 нм главным поглотителем является хрусталик глаза. К сожалению, в отличие от кожи роговая и слизистая оболочки глаза не имеют хорошо развитого адаптивного механизма [91]. Менее 1% УФ-радиации с длинами волн более 315 нм достигает сетчатки в нормальном глазу, но у людей с удаленным хрусталиком нет этого фильтра, защищающего сетчатку. Поэтому длительное воздействие избыточного УФ-излучения может привести к возникновению катаракты. Еще в начале прошлого века офтальмологи обнаружили взаимосвязь между количеством поступающей УФ-радиации и частотой возникновения катаракты у людей. Однако только в последние 20 лет активно ведутся поиски связей между этим заболеванием и изменением количества УФР, как одного из многих факторов, вызывающих данное заболевание [90].
Одним из факторов, определяющих количество УФ-радиации является общее содержание озона (ОСО). Значительное его уменьшение над Антарктикой и прилегающими к ней регионами, наблюдаемое с конца 1970-х годов, становится все более заметным в последние десятилетия [1,89]. Этот процесс сопровождается увеличением количества ультрафиолетовой радиации (УФР), поступающей на земную поверхность. Так весной в Южном полушарии, в те дни, когда наблюдается уменьшение общего содержания озона, количество УФР с длинами волн 300 и 305 нм приблизительно равно своим летним значениям и в четыре раза превосходит значения, соответствующие нормальному уровню озона [76]. Необходимо учитывать, что приведенные зависимости относятся к конкретным районам, в данном
случае к станции с географическими координатами 55 ю.ш., 68 в.д. Аналогичные явления прослеживаются и в других районах полярных областей как в Южном, так и в Северном полушариях. Большинство современных исследований посвящено изучению влияния уменьшения ОСО на количество поступающей ультрафиолетовой радиации. В ряде работ отмечается негативный эффект такого влияния на организм человека в полярных районах [57,79]. По оценкам некоторых ученых, понижение ОСО на 1% сопровождается повышением УФ-радиации на 1,3 % [89]. Такие оценки можно считать приблизительными, так как связи между ОСО и УФ-радиацией достаточно сложны и зависят от географических особенностей изучаемой территории [33]. Во многом они определяются и режимом УФ-радиации в конкретном районе [37,51].
В научной литературе существуют противоречивые мнения относительно долговременных трендов приземной УФР и причин их вызывающих [47,54,79,105]. Так, по данным пиргелиометрических наблюдений в Вельске в 1980-1996 гг. обнаружено, что долговременный тренд спада аэрозольной оптической толщины атмосферы, составляющий 7,4 %, обусловил тренд роста суточной ЭУФР около 1%. Изменения ЭУФР, обусловленные изменениями аэрозольной оптической толщины атмосферы, оказались сравнимы с вариациями, возникающими за счет изменения общего содержания озона. И еще сильнее проявлялось влияние облачности [66]. Результаты наземных измерений УФР спектра В (280-315 нм) (УФ-В) в г. Хиратсука (Япония) за десятилетний период (1990-2000 гг.) выявили возрастание УФ-В излучения в среднем на 1,57% в год [88]. Анализ имеющихся данных о трендах средних зональных среднегодовых значений ЭУФР за период 1979-1992 гг. показал, что в области широт больших, чем 35 -40 в обоих полушариях отмечаются положительные тренды УФР, превосходящие дисперсию примерно в 2 раза [78]. По данным спутниковых
наблюдений долгосрочные тренды в северных широтах за 1979-1991 гг. указывают на возрастание средних зональных доз ЭУФР на 3-7% [104].
В настоящее время экспериментальное изучение тренда солнечного УФ-излучения на поверхности Земли является важным направлением в исследовании атмосферных процессов. Имеется ряд работ, в которых указывается на снижение УФР, обусловленное, в частности, изменением облачного покрова [24,36].
Анализ результатов измерений УФР в 1989-1994 гг. аппаратурой SBUV/2, установленной на спутнике NOOA-11, не обнаружил вариаций в области длин волн более 300 нм, выходящих за пределы погрешности измерений [54].
По данным других исследований, в то время как летом в тропиках наблюдается статистически значимый тренд возрастания УФР порядка 10% за 10 лет, обусловленный трендом спада ОСО, в средних широтах тренда УФР обнаружить не удалось [95]. Более того, по данным наземных наблюдений в г. Томск (1994 - 2001гг.) выявлено уменьшение интенсивности потока УФ-А и УФ-В радиации в период с 1996 по 1999 гг. и относительно большое увеличение потоков в период с 1999 по 2000 гг[8]. Сравнение трендов УФР по данным TOMS с полученными по модели UKMO (U.K. Meteorological Office), продемонстрировало хорошую согласованность. Расчетные модели 2000-2019 гг. показали, что дальнейшее незначительное изменение ОСО приведет к незначительным изменениям среднезональных значений УФР за год и в отдельные сезоны. В то время как в Южном полушарии уменьшение УФР весной статистически незначимо, на севере модель предсказывает значимые уменьшения весной (около 10% в высоких широтах) [58].
Анализ возможных причин таких противоречий указывает на следующие их источники: 1) низкую чувствительность используемых приборов; 2) недоучет влияния других факторов внешней среды на
приземное УФ-излучение при проведении трендового анализа [4]; 3) расхождения в данных наземных и спутниковых наблюдений; 4) различия во временных интервалах; 5) различия в методике обработки исходных данных; 6) различия в размерах изучаемых территорий.
Несмотря на отсутствие общей точки зрения в отношении долговременных изменений УФ-радиации, за последние годы несомненно возрос интерес к данным о пространственно-временной изменчивости поля
ультрафиолетовой радиации.
В 1995 г. Международное Агентство по Исследованию Рака взяло на себя инициативу по разработке программы эпидемиологических исследований, направленных на аспекты проблемы, связанные с раком кожи. При участии ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде) и ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения) был осуществлен совместный проект под названием INTERSUN. Целью проекта было получение информации о влиянии УФР на здоровье людей в различных странах и определение числа
пострадавших в мире людей от ее воздействия [96]. Такие данные необходимы для улучшения прогнозирования изменений УФ-радиации, влияющей на здоровье людей, и для получения возможности заблаговременного предупреждения об угрозе для здоровья [42,65,70].
Медицинская общественность чрезвычайно обеспокоена очевидным увеличением частоты кожных заболеваний, в частности увеличением частоты рака кожи, что вызвано, в основном влиянием УФ-радиации. Поскольку опухоли кожи развиваются очень медленно, в течение 20-30 лет, увеличение частоты опухолевых заболеваний может быть связано как с изменением поведения населения во время отдыха, так и с неблагоприятным УФ-воздействием на биологические экосистемы и человека. В связи с этим большинство научных исследований направлено на совершенствование методов измерения УФ-радиации, а также на биологические исследования
влияния УФ-радиации на различные экосистемы и человека с целью выработки радиогигиенических опенок УФ-радиаиии и рекомендаций по
мерам защиты [41,52,101]. С октября 1995 г. во многих странах мира ежедневно публикуются данные об УФ-индексе, который характеризует биологически активную (эритемную) УФ-радиацию [69,70].
В 2001 г. Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) определила параметры для стандартизации УФ (UV) -индекса, которые используют 30 стран мира в прогностических целях. Параметры разработаны на основе моделей с использованием данных спутниковых наблюдений [58]. Чтобы вовремя обнаружить увеличение ЭУФР, создающее угрозу для здоровья человека, Служба Погоды Германии учредила оперативную схему для прогнозирования УФР. 48-часовой прогноз дает суточный максимум УФ-индекса, рассчитанного по рекомендациям ВМО. Процедура прогноза основана на расчетах с помощью модели радиационного переноса, с учетом высоты над уровнем моря, альбедо подстилающей поверхности и влияния
облачности [97]. Такие прогнозы должны помогать избегать солнечных ожогов и эффектов изменений кожи которые по мнению врачей-дерматологов, приводят к началу раковых заболеваний [82].
Помимо UV-индекса рассчитываются и другие показатели, оценивающие степень влияния УФ-радиации на человека. Метеорологическая служба Соединенного Королевства проводит расчеты среднего количества эритемной ультрафиолетовой радиации, необходимого для возникновения покраснения кожи, которое называется минимальной эритемной дозой (МЭД). Степень воздействия УФ радиации на кожу оценивается через МЭД, при этом учитывается и тип кожи человека, и ее реакция на УФ радиацию [99].
Для объединения усилий в решении проблем, связанных с влиянием УФ-радиации на организм человека, Всемирной Метеорологической
организацией в 1995 был создан Инициативный комитет но мониторингу УФР. Ключевыми направлениями усилий комитета по координации и обмену информацией являются: архивация и анализ данных наблюдений; оценка методик расчета УФР на уровне земной поверхности; получение репрезентативных данных по климатологии УФР, характеризующих как ее средние значения, так и изменчивость. Также ВМО уделяет большое внимание изучению проблемы изменения количества УФ-радиации в связи с глобальными климатическими изменениями [50]. Задание различных сценариев выбросов озоноразрушающих веществ в будущем (без внимания мер, предусматриваемых Монреальским протоколом и Копенгагенским дополнением к нему) позволит получить прогнозируемые оценки вероятностного изменения ЭУФ-радиации [78].
С 1993 г. в данном направлении ведутся исследования и Всемирной Организацией Здравоохранения в рамках программы Prevention of Blindness, приоритетными направлениями которой являются вопросы потенциальной опасности увеличения УФР для зрения людей [94].
Одной из основных задач программы EuroSPICE (The European Project on Stratospheric Processes and their Influence on Climate and the Environment) является обнаружение связей между факторами, влияющими на приземные потоки УФР, особенно в районах с незначительными трендами УФР [70].
Несмотря на обилие научных программ, посвященных данному вопросу, актуальность проблемы остается очевидной. Основные задачи современной деятельности Всемирной Метеорологической Организации в данном научном направлении сформулированы в программе исследований под названием Global Atmosphere Watch Programme (2001-2007). Основная цель этой программы следующая: дальнейшее развитие и координирование сети глобального мониторинга УФР; изучение климатических особенностей в распределении УФР, в частности распределение средних значений, приходящей на земную поверхность УФР и степень ее изменчивости [84].
Ha сегодняшний день исследования пространственных неоднородностей УФР, региональных особенностей и их тенденций освещены крайне недостаточно.
Основной целью диссертационной работы является:
- исследование особенностей географического распределения эритемной
ультрафиолетовой радиации на территории России по данным спутниковых
измерений;
- выявление закономерностей изменчивости наземной эритемной
ультрафиолетовой радиации в зависимости от сезона и географических
особенностей территории.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
1. Исследование пространственного распределения среднемесячных
значений эритемной ультрафиолетовой радиации (ЭУФР) в марте и июне.
В эти месяцы наиболее существенно влияние ЭУФР.
Анализ показателей межгодовой и внутримесячной изменчивости ЭУФР.
Исследование пространственных связей ЭУФР.
Выделение районов с синхронным колебанием ЭУФР в течение исследуемого периода.
Анализ типов распределения ЭУФР и выделение районов с одинаковым типом распределения ЭУФР.
Поставленные задачи определяют содержание работы.
1-ая глава диссертации посвящена характеристике ультрафиолетовой радиации Солнца, ее роли в важнейших фотобиологических реакциях и зонированию изучаемой территории по характеристикам УФ-климата.
Во 2-ой главе изложена характеристика исходного материала и методы его обработки, используемые для дальнейшего анализа. Исследуется пространственное распределение ЭУФР и долготные неоднородности в пределах выбранных широтных зон, а также временная изменчивость ЭУФР.
В 3-ей главе проводится анализ зональных корреляционных связей ЭУФР с выделением районов с мезомасштабными неоднородностями ЭУФР.
В 4-ой главе проводится районирование территории России по основным статистическим характеристикам эритемной ультрафиолетовой радиации.
Результаты диссертации опубликованы в двух статьях.
Основные научные положения диссертации были доложены и обсуждены на научном семинаре Кафедры климатологии и мониторинга окружающей среды факультета Географии и геоэкологии СПбГУ.
Распределение ресурсов естественной ультрафиолетовой радиации на территории России
Естественная УФ-радиация распределена крайне неравномерно по территории России. Обширные районы полярных и субполярных областей характеризуются отсутствием длительное время естественной УФ-радиации, что приводит к развитию зимой, поздней осенью и ранней весной патологических явлений, получивших название "ультрафиолетовая недостаточность". Наряду с периодами и районами ультрафиолетовой недостаточности есть периоды и районы ярко выраженного избыточного УФ-облучения. Поэтому вопрос о рациональном использовании ресурсов естественной УФ-радиации имеет большое практическое значение. Первая попытка дать цельное представление о распределении УФ-радиации по территории СССР была предпринята в 1968 группой ученых под руководством В. А. Белинского [6]. Ими было проведено районирование территории СССР в отношении безусловной ультрафиолетовой недостаточности в разные месяцы. Используя расчеты эритемнои радиации с помощью радиационной модели более, чем для 160 пунктов были выделены зоны, где господствует режим УФ-недостаточности в определенные месяцы года [б]. При расчетах эритемнои радиации были учтены многолетние результаты наблюдений: - за прозрачностью атмосферы; - за общим содержанием озона; - оценки альбедо земной поверхности по датам схода и установления снежного покрова; - оценки потерь УФ радиации, обусловленных облачностью. Выбор в качестве основной характеристики УФ-ресурсов именно эритемнои радиации является не случайным.
Известно, что УФ-радиация различных длин волн оказывает разнообразное биологическое действие. Наиболее важным и очевидным проявлением действия УФ-радиации на человека является образование фотоэритемы и те последующие реакции, которые развиваются вслед за ее появлением [38]. Непосредственно после интенсивного облучения Солнцем наступает покраснение кожи, вызванное видимой и инфракрасной радиацией - тепловая эритема, которая довольно быстро и бесследно проходит. Фотоэритема, обусловленная УФ солнечной радиацией, отличается от тепловой эритемы. Она возникает только после некоторого латентного периода, длительность которого обратно пропорциональна интенсивности облучения. По мере ослабления эритемы наступает фотопигментация, происходит перенос меланина к самому верхнему роговому слою кожи. Зависимость эритемы от длины волны обусловлена двумя факторами: активным поглощением УФ радиации в белковом веществе живых клеток и пассивным поглощением в роговом слое, играющем роль фильтра. Наибольшие длины волн, вызывающие эритему, лежат между длинами волн 315 и 320 нм. Кривая эритемной эффективности имеет два максимума: при длине волны 297 нм и между 240 и 250 нм, и минимум при длине волны 280 нм [77].
Она простирается далеко в область коротких длин волн. Однако для естественного УФ облучения имеет значение лишь правая ветвь кривой эритемной эффективности, так как в солнечном спектре у земной поверхности УФ излучение с длиной волны короче 290 - 295 нм отсутствует. Интенсивность эритемы зависит от дозы (произведения облученности на продолжительность облучения). Действие облучения начинается лишь с некоторого порогового значения дозы. При возрастании дозы интенсивность эритемы монотонно возрастает. Несмотря на сильное различие свойств кожи у отдельных людей, вариация эритемной реакции незагорелой кожи не очень велика. Однако чувствительность кожи сильно зависит от внешних условий и предшествовавшего облучения [20]. Эритемная чувствительность человеческой кожи изменяется в годовом ходе, достигая максимума весной и осенью и минимума летом. Эритемная чувствительность кожи и, следовательно, пороговая доза, меняется не только с длиной волны УФ-радиации, но и в зависимости от физиологических и патологических условий [77]. Степень эритемы является показателем дозы, применяемой в УФ-терапии. Раньше других была изучена кривая эритемного действия УФ радиации; затем было установлено, что кривая антирахитного действия УФ радиации практически совпадает с кривой эритемного действия в той области солнечного спектра, которая доходит до земной поверхности. Фотохимический синтез витамина Д в коже, облучаемой УФ-радиацией области 280-313 им, представляет наиболее важный эффект УФ-облучения. Для удобства оценки биологической эффективности УФ-радиации ее выражают в биологически взвешенных единицах, называют эритемной и делят на две области В и А. Эритемная радиация области В вызывает фотоэритему, сопровождаемую последующим загаром; она характеризуется антирахитным эффектом и благотворно влияет на организм. Эритемная радиация области А эритемы не вызывает, но характеризуется загарным эффектом и благотворным действием на организм человека [6].
Средняя многолетняя эритемная ультрафиолетовая радиация на территории России
При изучении закономерностей радиационного климата особое внимание уделяется точности средних значений и необходимой длине ряда для их получения. Как известно, климатической нормой называется среднее значение метеорологической величины, вычисленное по данным из периодов наблюдений оптимальной длины [10], обеспечивающих наибольшую устойчивость норм и близость к современным климатическим условиям. Следовательно, при использовании климатических данных целесообразно оценить их точность.
Поскольку УФ-радиация является частью интегрального потока, то для обработки временных рядов представляется возможным применение методов, которые используются при исследовании характеристик радиационного режима.
По оценкам многих исследователей, для достижения 10%-ой точности средних значений солнечной радиации требуется ряд наблюдений от 5 до 40 лет в зависимости от вида радиации и сезона [28].
Для характеристики режима эритемной ультрафиолетовой радиации (ЭУФР) были рассчитаны ее средние многолетние месячные значения по ежедневным данным за 13 лет. Также была вычислена ошибка средних многолетних месячных значений для определения точности, с которой были получены средние, исходя из имеющихся рядов наблюдений. Основная ошибка получена по формуле: где о- среднее квадратическое отклонение (стандартное отклонение); п - число членов ряда [16].
Временные связи сказываются на точности получаемых средних характеристик. Известно, что связи изо дня в день ослабевают по мере увеличения интервала времени примерно по типу марковских процессов. Поэтому вычисляемые по ежедневным данным повторяемости или средние за месяц оказываются преимущественно менее устойчивыми, чем если бы значения изо дня в день были случайными и бессвязными [ 7,16,27 ].
При определении ошибки средних учитывалось, что в соседние дни значения ЭУФР тесно связаны между собой. Ошибки, рассчитанные по приведенной выше формуле (1), занижены. Для уточнения ошибки в формулу вводился множитель, учитывающий связность ряда, т.е. выражение для корреляционной функции [29]. С учетом уточнений формула ошибки была следующей: где Гі - коэффициент корреляции между соседними членами ряда, т.е. первое значение корреляционной функции. В Таблице 2 приведены рассчитанные коэффициенты корреляции между соседними членами ряда. Как видно из табл. 2, коэффициенты корреляции между соседними членами ряда в марте изменяются от 0,50 до 0,82, следовательно, значение множителя будет равно 2,38.
В Таблицах 1-Ю Приложения приводятся среднемесячные значения ЭУФР и их ошибки для каждой широтной зоны. На основании приведенных данных видно, что на территории России основная ошибка среднемесячных значений ЭУФР в марте изменяется от 5 до 10 %. При одинаковой длине ряда такой диапазон ошибок свидетельствует о разной изменчивости ЭУФР в пространстве. Наибольшая ошибка характерна для районов с большей изменчивостью ЭУФР. Внутри каждой широтной зоны можно выделить районы с различной изменчивостью ЭУФР. В 1-ой, 2-ой и 3-ей широтных зонах картографические основы (рис.3, 4). Рисунки 3, 4 отражают фон распределения среднемесячной ЭУФР. В среднем на территории России ЭУФР в марте изменяется в пределах от 5,4 на севере до 64,4 Эр на юге. Геофафическое распределение ЭУФР и ее годовой ход зависит от количества поступающей солнечной радиации и от условий облачности. Известно, что зимой преобладающее влияние на распределение всех видов радиации оказывает астрономический фактор, определяя широтный характер изолиний. К весне зональность может нарушаться из-за перестройки циркуляционных процессов.
Однако, в данном случае зональность нарушается незначительно, и повышение ЭУФР в районе предгорья Южного Урала и в Алтае-Саянской области можно объяснить увеличением количества ясных дней в весенний период [23]. Большие значения ЭУФР наблюдаются также на юге Европейской части России.
Необходимо отметить, что различная повторяемость ясных дней в марте в выделенных зонах, тесно связанная с распределением облачности, может приводить к заметным внутриширотным различиям в значениях ЭУФР.
Для наглядности в табл. 3 приведены наибольшие и наименьшие значения ЭУФР в рассматриваемых зонах для марта месяца. Из табл. 3 видно, что в пределах одной широтной зоны среднемесячные значения ЭУФР могут различаться в два раза и более.
Анализ изменчивости эритемной ультрафиолетовой радиации
Анализ изменчивости эритемной ультрафиолетовой радиации проводился по относительным значениям среднего квадратического отклонения, т. е. по коэффициенту вариации. Для выявления районов с наиболее и наименее устойчивым режимом ЭУФР значения коэффициентов вариации были нанесены на картографическую основу с учетом максимального значения ошибки, рассчитанной по формуле: где а cv - ошибка коэффициента вариации; Cv-коэффициент вариации; п - число членов ряда. В таблицах 1-10 Приложения приведены результаты расчетов коэффициентов вариации ЭУФР для исследуемых месяцев. В марте коэффициент вариации изменяется по территории России от 0,38 до 0,83. Для наглядности на рис. 5 представлено пространственное распределение коэффициентов вариации в марте. Характер изолиний отражает влияние циркуляционных процессов, которые определяют режим облачности (рис.5). Минимальная изменчивость ЭУФР наблюдается на юге Дальнего Востока и на Северном Кавказе, максимальная - на Европейской территории и на северо-востоке Сибири. Значительная изменчивость ЭУФР на Европейской территории в марте объясняется развитием циркуляционных процессов, которые являются основной причиной непериодических изменений в ходе метеорологических элементов. Смена форм циркуляции определяет режим атмосферных процессов и весьма резко проявляется в изменчивости погодных и климатических условий. Господство одних форм циркуляции над другими в отдельные годы может вызывать значительные вариации ЭУФР. На северо-востоке Сибири из-за активизации арктического фронта также наблюдается частая смена воздушных масс, выражающаяся в большой неустойчивости облачного режима.
В результате циклогенеза, развивающегося над дальневосточными морями, сюда поступают воздушные массы с северной части Беренгова моря. В редких случаях возможна адвекция с южной части Беренгова моря по северо-западной периферии более глубоких и обширных циклонов, образующихся над севером Тихого океана, что приводит к увеличению облачности. Исключительно большой устойчивостью ясного неба отличаются южные районы Европейской территории, что уменьшает изменчивость ЭУФР. В июне коэффициенты вариации характеризуются меньшими значениями, изменяясь по территории от 0,25 до 0,43, (рис. 6) и уменьшаются на Европейской территории к югу, а на Дальнем Востоке к северу, что также можно объяснить синоптической ситуацией. На севере Европейской территории западная форма летней циркуляции объединяет большое количество разнообразных синоптических ситуаций. На Дальним Востоком частая смена характера циркуляции способствует проникновению воздушных масс из различных районов. Это обусловливает сильную изменчивость погодных условий. Тихоокеанский полярный фронт в летнее время года, в связи с сезонным перемещением к северу Тихоокеанского максимума, занимает более северное положение, чем зимой, и наиболее активная циклоническая деятельность развивается на западном участке этого фронта, с которой и связаны в основном погодные процессы южных районов. Кроме того, в южные районы Дальнего Востока приносится континентальный тропический воздух из Северного Китая с циклонами, развивающимися на монгольской ветви полярного фронта, который нередко продолжается на территории Дальнего Востока до бассейна р. Амур [23]. Значительными коэффициентами вариации отличаются районы Забайкалья. Летом здесь усиливается циклоническая деятельность.
С циклонами, приходящими с запада или юга, связано увеличение облачности. Необходимо заметить, что общая изменчивость включает в себя колебания ЭУФР внутри месяца каждого года, обусловленные сменой синоптических процессов, и колебания от года к году, вызванные различными факторами. К таким факторам можно отнести как преобладающие формы атмосферной циркуляции в отдельные годы, так и изменчивость общего содержания озона [64]. Общая изменчивость ЭУФР имеет сложную структуру, которая существенно зависит от района, сезона и периода осреднения. По мнению многих исследователей межгодовая изменчивость облачности над различными районами вносит основной вклад в межгодовую изменчивость ЭУФР на уровне земной поверхности [36,59,74]. Хотя уменьшение ОСО способствует возрастанию ЭУФР, но в некоторых районах данный эффект перекрывается влиянием облачности [68] .Так, по наземным наблюдениям в Чили (39,8 ю.ш.) вариации общего содержания озона и облачности объясняют до 77% суточной вариации УФР [73]. Анализ данных наземных измерений суммарной УФР в спектральном диапазоне 290-345 нм в г. Иркутск (52.2 с.ш., 104,3 в.д.) показал, что околополуденные значения УФР в целом испытывают сильную изменчивость, и в первую очередь, в зависимости от наличия и характера облачности, и уже во вторую очередь от величины ОСО, атмосферного аэрозоля и других факторов [4]. При анализе необходимо учитывать, что значения коэффициентов вариации, полученные по данным наземных и спутниковых наблюдений могут расходиться. Так, по данным [21] значения коэффициентов вариации ЭУФР по спутниковым данным ниже, чем соответствующие по наземным наблюдениям в г. Иркутск (за 1999-2001 гг.). В данной работе также отмечается, что сезонный ход коэффициентов вариации ОСО не имеет общих черт с сезонным ходом коэффициентов вариации ЭУФР. Что еще раз подтверждает то, что не вариации ОСО играют определяющую роль в вариациях интенсивности ЭУФР, а изменения метеопараметров, характеризующие синоптическую ситуацию в регионе [21]. Как меру общей изменчивости ЭУФР можно рассматривать среднеее квадратическое отклонение ежедневных значений от их средних многолетних значений. Общая дисперсия ежедневных значений ЭУФР представляет собой сумму двух членов. Первый член - среднеее из дисперсий, характеризующих разброс ежедневных значений ЭУФР в каждом году, относительно среднемесячного значения для данного года, отражая при этом внутримесячную изменчивость. Второй член является дисперсией среднемесячных значений конкретных лет относительно среднего многолетнего значения за весь период наблюдений и характеризует межгодовую изменчивость. Для оценки влияния межгодовой изменчивости был проведен дисперсионный анализ ЭУФР для каждого пункта. В табл. 5 приведены результаты расчетов межгодовой изменчивости ЭУФР и ее вклада в общую дисперсию. В результате анализа было выявлено, что, как в марте, так и в июне для всех пунктов вклад межгодовой изменчивости в общую дисперсию меньше, чем вклад изменчивости внутри каждого месяца.
Пространственная структура эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России
Пространственная изменчивость ЭУФР зависит, главным образом, от пространственной структуры элементов погоды и влияния на них местных географических условий. Для определения изменчивости климатических характеристик необходимо учитывать связность метеорологических элементов как во времени, так и пространстве.
При исследовании взаимосвязей между ЭУФР внутри широтных зон использовался метод корреляционного анализа, поскольку естественно предполагать наличие связи между значениями ЭУФР на соседних станциях. Для исключения сезонного хода и внутрирядной связности были рассчитаны коэффициенты корреляции не между абсолютными значениями ЭУФР, а между отклонениями ежедневных значений ЭУФР от средних 13-летних для каждого дня. Результаты расчетов коэффициентов корреляции приведены в таблицах 16-25 Приложения.
Результаты корреляционного анализа показали, что во всех широтных зонах наблюдаются довольно тесные связи между значениями ЭУФР в марте. Коэффициенты корреляции изменяются от 0,24 до 0,91. В июне количество статистически значимых связей уменьшается. Для сравнения значений коэффициентов корреляции в марте и июне было подсчитано общее число коэффициентов корреляции 0,50 (табл. 6 ). Как видно из Табл. 6 общее число значительных внутриширотных корреляционных связей (г 0,50) в марте заметно больше, чем в июне. Практически во всех зонах их число в марте в 2-3 раза больше, чем в июне.
Известно, что пространственная связь солнечной радиации быстро убывает на первых сотнях километров, затухая при расстоянии между станциями 500-600 км [28]. Уменьшение связи с увеличением расстояния между станциями свидетельствует о влиянии на поля радиации мезомасштабных процессов, проявляющихся через режим облачности, особенно в районах с горным и холмистым рельефом.
В работе была проведена оценка корреляционных связей в зависимости от расстояния (от 80 до 600 км). Результаты расчетов приведены в табл. 7. Данные табл. 7 показывают, что на территории России коэффициенты корреляции между значениями ЭУФР, как в марте, так и в июне изменяются в широких пределах от 0,13 до 0,92. В марте коэффициенты корреляции 0,50 наблюдаются на расстоянии 350 км. Причем до этого расстояния нижний предел составляет 0,50 - 0,60. Начиная с 400 км коэффициенты корреляции составляют 0,40 - 0,20, в то время, как наибольшие значения (0,80 - 0,90) могут наблюдаться до 600 км. В июне коэффициент корреляции 0,35 может наблюдаться на расстоянии до 300 км. Начиная с 400 км связь затухает, и коэффициенты корреляции могут составлять 0,13 -0,20. Таким образом, затухание связи становится заметным на расстоянии более 350 км. Для пунктов, расположенных друг от друга на расстоянии 350 км и более, в июне коэффициенты корреляции редко превышают 0.50. Такому распределению связей способствует формирование мезомасштабных процессов облачности в условиях неоднородной подстилающей поверхности.
Так на Европейской территории России в весенние месяцы облачные массивы, простирающиеся на расстоянии 500 - 1000 км и более, наблюдаются редко. Случаи с облачными системами протяжением около 1500 - 3000 км встречаются не ежегодно; например в марте наиболее вероятны облака протяженностью до 500 км (70%) [23]. На все случаи облачных систем, простирающихся на 1000 — 2000 км, приходится лишь около 10% . В летний период вероятность таких облачных систем становится еще меньше и они наблюдаются лишь в исключительных случаях, в период развития западной формы циркуляции. В периоды активной циклонической деятельности иногда нижняя облачность простирается сплошным покровом на громадном пространстве. В летнее время облачный покров весьма изменчив: сплошные низкие облака обычно наблюдаются протяжением около 100 — 200 км, реже 200 — 500 км [23].
В результатах отдельных исследований распределения ЭУФР, проведенных Елисеевым Л. Л., Иппалитовым И. И., Черниговской М. А. и др. [12, 35], отмечается, что в средних за месяц суточных экспозициях ЭУФР на территории России проявляются крупномасштабные и мезомасштабные неоднородности полей ЭУФР, обусловленные региональными особенностями. Такие неоднородности в отдельных случаях могут быть сопоставлены с природными районами: Европейская часть, Западная Сибирь, Восточная Сибирь, Дальний Восток [35]. Необходимо отметить, что эти же крупные части территории России 3. И. Пивоварова и В. В. Стадник использовали для учета азональности физико-географических условий при районировании бывшей территории СССР по условиям обеспеченности гелиоресурсами [29].
Для выявления групп станций, на которых колебания ЭУФР в общих чертах синхронны в течение исследуемого периода, был использован метод кластерного анализа. В качестве правила объединения или связи использовалась одиночная связь. В этом методе расстояние между двумя кластерами определяется расстоянием между двумя наиболее близкими объектами в различных кластерах. Это правило должно, в известном смысле, нанизывать объекты вместе для формирования кластеров, и результирующие кластеры имеют тенденцию быть представленными длинными "цепочками" [11]. В качестве меры расстояния использовалась величина d = l-r , где г-коэффициент линейной корреляции между отклонениями ежедневных значений ЭУФР от средних 13-летних для каждого дня. На кластерных диаграммах вертикальные оси представляют расстояние объединения d. Диаграммы представлены на рис. 1-5 приложения. Внутри каждой исследуемой широтной зоны в группы объединялись пункты, для которых значения d не превышали 0,50. В результате кластерного анализа были выделены группы пунктов не только внутри природных районов, но и внутри климатических областей.
