Радиационный режим Алтае-Саянской горной страны

ГЕОГРАФИЯ

РАДИАЦИОННЫЙ РЕЖИМ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ ГОРНОЙ СТРАНЫ

В.В. Севастьянов *, М.Ф. Андрейчик ** * Томский государственный университет, Томск * * Тувинский государственный университет, Кызыл

Радиационный режим Алтае-Саянской горной страны. Севастьянов В .В., Андрейчик М.Ф.

Цель: изучить пространственную дифференциацию составляющих радиационного баланса и факторы их ослабления в пересеченном рельефе.

Проблемы: сложность рельефа, неоднородность высот наблюдений, недостаточная густота метеостанций, слабая изученность геофизических факторов региона.

Результаты исследований: выявлены основные факторы, влияющие на поступление солнечной радиации, и закономерности распределения геофизических показателей в пространстве.

Ключевые слова: горный рельеф, радиационный режим, ослабление солнечной радиации.

Radiation regime of Altai-Sayan highlands. Sevastianiv V. V., Andreychik M.F.

Goal: to investigate dimensional differentiation of radiation balance components and their dilution factor on broken ground.

Difficulties: variety of relief, inequality of viewpoint heights, subnormal density of meteorological stations, insufficient knowledge of the region geo-physical factors.

The survey results: distribution logic of geo-physical data over a distance and main factors that affect solar radiation incoming have been revealed.

Key words: mountain relief, radiation regime, solar radiation attenuation.

Солнечная радиация, приходящая на земную поверхность, является главным источником энергии, определяющим развитие почти всех процессов в атмосфере Земли. Она как один из климатообразующих факторов в значительной мере зависит от широты местности, циркуляции атмосферы и особенностей подстилающей поверхности.

Важность изучения солнечной радиации определяется тем, что она оказывает большое влияние на различные физико-географические процессы, как главный источник энергии. Солнечная радиация играет огромную роль в жизни растений, без неё невозможно выяснить генезис высотно-ландшафтных поясов, режим и динамику снежно-ледовых образований.

Суммарная радиация. Количество поступившей солнечной энергии во многом зависит от продолжительности солнечного сияния. Фактическая продолжительность ее зависит от широты места, сезона года, от режима облачности и закрытости горизонта. Отдельно выделяют максимально возможную (при безоблачном небе) продолжительность солнечного сияния, зависящую лишь от астрономических факторов. Солнечное сияние характеризуется также отношением фактической продолжительности солнечного сияния к продолжительности сияния солнца при безоблачном небе на данной широте. Наибольшее число дней с ясной погодой наблюдается в зимний период - от 59,2

(Метеостанция Подкатунь) до 114,3 (Онгудай). На втором месте стоит метеостанция Кызыл (112,7 дней), на третьем - Чемал (105,0), четвертое и пятое место со значительным разрывом занимают станции Турочак и Беля соответственно 86,6 и 86,0 дней.

В течение года продолжительность светового дня изменяется от 16 ч 42 мин в период летнего солнцестояния (22 июня) до 7 ч 46 мин - в период зимнего (22 декабря) солнцестояния. В среднем за год Солнце светит над Кызылом в течение 2400 ч, над Эрзином - 2662 ч, что составляет 57 и 62 % соответственно от теоретически возможной продолжительности солнечного сияния при отсутствии облаков. В летний период отношение наблюдавшейся продолжительности солнечного сияния к возможной достигает 60 %, а в холодный период уменьшается до 35-45 %. В Тыве небо бывает полностью закрыто плотными облаками в среднем только 35 дней в году. Большая часть из них приходится на ноябрь-январь.

Весной и летом между числом дней с ясной погодой и долей поступления суммарной радиации наблюдается обратная связь. Кажущийся парадокс в закономерности объясняется пространственной удаленностью станций, отличающихся друг от друга прозрачностью атмосферы, продолжительностью солнечного сияния и другими сопутствующими факторами. Кстати, аналогичной закономерностью для летнего периода выражается связь между долей

поступившей суммарной радиации и высотой над уровнем моря. Это объясняется тем, что в высокогорных районах, как правило, больше облачности, продолжительность залегания снежного покрова, увеличивающего альбедо подстилающей поверхности. Летние месяцы характеризуются наибольшей

продолжительностью солнечного сияния, что связано, в первую очередь, с увеличением продолжительности светового дня.

Солнечная радиация. Для изучения радиационного режима в пределах Тывинской горной области (ТГО) было проведено обобщение материалов наблюдений ближайших сетевых актинометрических станций Кызыл в пределах Алтае-Саянской горной страны (АСГС) [Севастьянов, 1998].

Прозрачность атмосферы в ТГО довольно высока, выше, чем средняя прозрачность для широты 50 ° с. ш. [Голещихин, 1981]. Коэффициент прозрачности имеет сравнительно простой годовой ход с максимумом в зимние месяцы и минимумом - в летние. Такая закономерность отмечается на всех станциях, на разных высотах. Максимальная прозрачность в зимний период объясняется низким влагосодержанием и уменьшением аэрозолей в атмосфере по сравнению с теплым периодом.

В качестве другой характеристики прозрачности атмосферы использовался фактор мутности Линке, выражающий соотношение между прозрачностью реальной и идеальной атмосферы, в которой ослабление солнечной радиации обусловлено лишь молекулярным рассеянием. Введение фактора мутности исключает эффект зависимости от массы атмосферы, обусловленный избирательностью молекулярного рассеяния, что очень важно учитывать при сравнении прозрачности атмосферы в горных условиях.

Прозрачность атмосферы. Прозрачность атмосферы является одним из важных показателей радиационного режима. Интенсивность солнечной радиации, её суммы за различные отрезки времени подвержены как периодическим, так и непериодическим колебаниям. Одной из причин колебаний является изменение прозрачности атмосферы. Вопросу изучения прозрачности атмосферы в Алтае-Саянской горной стране (в Тыве, в частности) посвящено очень мало работ [Ревякин, 1979].

Средние месячные значения коэффициентов прозрачности атмосферы на станциях в пределах Алтая и Саян приведены в таблице 1.

Таблица 1

Фактор мутности изменяется в течение года противоположно годовому ходу прозрачности атмосферы. С ростом высоты уменьшаются сезонные различия значений фактора мутности. Максимум его приходится на летние месяцы, когда увеличивается влажность воздуха и загрязнение атмосферы пылью и другими аэрозольными частицами.

По данным актинометрических станций, сделана количественная оценка изменения с высотой общего ослабления радиации атмосферой и веса каждого из ослабляющих компонент, а именно: молекулярного, аэрозольного и ослабления за счет водяного пара.

Для определения общего ослабления радиации атмосферой и его составляющих в Алтае-Саянской горной области использовались материалы наблюдений над прямой солнечной радиацией. Для получения сравнимого материала проводилось приведение интенсивности прямой солнечной радиации к одной и той же массе атмосферы (ш=2).

Коэффициент прозрачности атмосферы (Р) в полдень, приведенный к массе 2, при солнечной

постоянной (80), равной 1,37 кВт/м2

Станция Высота, м Месяцы

I II III IV V VI

Хакасская 250 0,728 0,737 0,743 0,756 0,744 0,732

Кызыл 626 0,795 0,791 0,786 0,782 0,769 0,751

Кош-Агач 1760 0,820 0,811 0,802 0,792 0,786 0,786

Р 50 ° 1 сред Vй 0,805 0,791 0,800 0,759 0,754 0,744

Станция Месяцы Год

VII VIII IX X XI XII

Хакасская 0,721 0,741 0,761 0,779 0,763 0,746 0,746

Кызыл 0,735 0,755 0,778 0,798 0,797 0,796 0,778

Кош-Агач 0,765 0,783 0,798 0,807 0,816 0,820 0,799

Р 50 ° 1 сред Vй 0,757 0,753 0,766 0,785 0,809 0,807 0,775

Интенсивность радиации в идеальной (чистой и сухой) атмосфере ослабляется лишь за счет молекулярного рассеяния. Согласно [Русанов, 2004], ослабление солнечной радиации за счет молекулярного рассеяния в идеальной атмосфере при массе атмосферы равной 2, составляет 0,22-0,26 кВт/м2. Для горных станций определялась поправка на давление относительно уровня моря. В связи с тем, что отдельные актинометрические станции находятся в высокогорных районах и фактическая масса атмосферы отличается от 2, проводилось приведение к нормальным условиям [Руководство по контролю ..., 1991].

В годовой динамике ослабления радиации для разных высотных уровней четко прослеживаются зависимость ее от высоты местности. В годовом ходе на всех пунктах отмечаются минимальные значения общего ослабления солнечной радиации в зимние месяцы (447-649 Вт/м2). Летом ее величины достигают максимума (530-663 Вт/м2) вследствие увеличения запыленности и влагосодержания атмосферы.

Средние значения радиации, поглощенной водяным паром, колеблются в пределах 84-213 Вт/м2, уменьшаясь на каждые 1,5 км высоты на 15-18 %. В среднем за год значения радиации, поглощенной водяным паром, согласуются с особенностями распределения влагосодержания атмосферы и изменяются с увеличением высоты от 160 до 130 Вт/м2. Годовому ходу аэрозольной мутности, косвенной характеристикой которой является асимметрия, значения которой осенью значительно меньше, чем весной. Особенность годового хода аэрозольной мутности в предгорьях: максимальные его значения отмечаются летом, в высокогорье - весной. Это объясняется не только влиянием естественного фактора (возрастанием содержания аэрозолей), но и значительным вымыванием аэрозоля на высотах в летние месяцы, когда в горах выпадает максимальное количество осадков.

Среднее месячное значение аэрозольного помутнения имеет большой диапазон колебаний в течение года и на разных высотах. С увеличением высоты аэрозольное помутнение значительно уменьшается; в среднем за год при подъеме на 1,5 км оно снижается на 9-10 %. С высотой отмечается также уменьшение резких различий в сезонных значениях. Из сопоставления следует, что в среднем за год за счет молекулярного ослабления солнечная радиация уменьшается в ТГО на 38-52 %.

С высотой уменьшаются абсолютные значения молекулярного ослабления, но

увеличивается их процентный вклад в общее ослабление радиации за счет уменьшения с высотой аэрозольной компоненты. Доля поглощения радиации водяным паром составляет в среднем за год 25-30 %, постепенно увеличиваясь в летнее время. Доля ослабления солнечной радиации за счет аэрозолей изменяется от 20 до 30 % в течение года. Наименьшее его влияние приходится на осенний период.

Основные выводы о прозрачности атмосферы над ТГО заключаются в следующем. Прозрачность атмосферы над этим регионом достаточно высокая, выше, чем в среднем для соответствующих широт. Над горными районами прозрачность атмосферы выше, чем на той же высоте в свободной атмосфере. Этому способствуют увеличенные, как правило, суммы осадков в горах по сравнению с равнинами, так как осадки вымывают аэрозоли из атмосферы. С увеличением абсолютной высоты местности прозрачность атмосферы увеличивается.

Пространственный анализ фактора мутности (Т) в пределах Алтае-Саянской горной страны показал, что он большую часть года возрастает с юга на север в среднем на 0,1 на 100 км. Этот факт отличается от выводов, сделанных [Кондратьев, 1965, с. 267] о том, что прозрачность атмосферы понижается к югу. Объяснение этого эффекта заключается в том, что территория к северу от Республики Тыва в промышленном отношении более освоена, в то время как на юге территории наблюдается сочетание засушливости климата и ненарушенных комплексов горных ландшафтов. То есть имеет место региональная особенность распределения прозрачности атмосферы.

Прозрачность атмосферы возрастает также с запада на восток (Т уменьшается в среднем на 0,01 на 100 км) по мере углубления в горные районы. Повышенные значения прозрачности атмосферы в горных районах Алтая и Саян во многом определяют особенности прихода лучистой энергии.

Распределение прямой солнечной радиации. Приход прямой солнечной радиации в большой мере определяется широтой, распределением облачности, продолжительностью солнечного сияния, прозрачностью атмосферы. Возможные годовые суммы прямой радиации на этих широтах достигают 5000-5800 МДж/м2. При действительных условиях облачности годовые суммы прямой радиации на горизонтальную поверхность колеблются в очень больших

пределах: метеостанция Хакасская - 1697, Кызыл - 2568, Кош-Агач - 3410 МДж/м2.

На высокогорных станциях приход прямой радиации составляет 2200-2400 МДж/м2 вследствие значительного ослабления её облачностью. Значительные различия в суммах прямой радиации объясняются не только широтой местности и разностью высот, но и различной продолжительностью солнечного сияния, обусловленной закрытостью горизонта. Поэтому величины вертикального градиента сумм прямой радиации могут иметь ограниченное применение для их расчета.

Рассеянная радиация вносит значительный вклад в общий приход солнечной радиации. В среднем за год эта доля в высокогорных областях АСГС составляет около 35-40 %. Несмотря на относительно большую изменчивость величины рассеянной радиации, по территории в целом прослеживается ее увеличение с юга на север.

Наиболее высокие значения рассеянной радиации наблюдаются в мае-июне, минимальные - в декабре. Годовые суммы изменяются в пределах 1700-2500 МДж/м2, что примерно на 10-20 % больше, чем на равнине.

С высотой суммы рассеянной радиации в целом увеличиваются. Это объясняется увеличением количества облаков в высокогорных районах, открытостью местности, большей продолжительностью залегания снежного покрова, а, следовательно, более сильным влиянием альбедо подстилающей поверхности. Относительно небольшие величины рассеянной радиации наблюдаются в горных котловинах из-за уменьшения облачности над ними.

На интенсивность рассеянной радиации оказывает большое влияние облачность -количество и её форма. В среднем при ясной безоблачной погоде величина рассеянной

радиации составляет около 10 % от величины прямой радиации. При облачности верхнего и среднего яруса ее величина значительно возрастает, более чем в два раза. При сплошной низкой облачности её интенсивность опять уменьшается и лишь немного превышает её значения при ясном небе.

Максимальные значения рассеянной радиации наблюдаются при наличии облачности и снежного покрова. Они могут достигать в летнее время в условиях высокогорья 630 Вт/м2. Суточные суммы рассеянной радиации колеблются в очень больших пределах от 4 МДж/м2 в абсолютно ясную или пасмурную ненастную погоду до 17-18 МДж/м2 в дни с облачностью 5-6 баллов.

Суммарная радиация. Годовые суммы суммарной радиации распределяются аналогично прямой солнечной радиации (таблица 3). Прямая солнечная радиация имеет большую изменчивость по территории, чем рассеянная. Так, различия в годовых суммах на станциях для прямой радиации составляют 1957 МДж/м2, для рассеянной - лишь 482 МДж/м2.

Для территории Тывы прямая солнечная радиация в годовом выводе превышает рассеянную и составляет 52-65 % от суммарной радиации. В предгорьях Саян это соотношение составляет 47-50 %, увеличиваясь до 55 % на востоке.

Поглощенная радиация. Поглощенная радиация является приходной частью радиационного баланса. Закономерности распределения поглощенной радиации в горах представляют научный интерес для целого ряда геофизических исследований и решения прикладных задач.

Таблица 3

Средние месячные и годовые величины суммарной солнечной радиации, МДж/м2

Станция Высота, Месяцы

м I II III IV V VI

Хакасская 225 69 149 313 437 539 639

Кызыл 625 105 199 410 525 647 692

Кош-Агач 1760 167 274 488 603 727 706

Станция Месяцы Год

VII VIII IX X XI XII

Хакасская 609 483 313 174 84 51 3860

Кызыл 640 550 402 231 124 79 4604

Кош-Агач 690 631 476 324 185 133 5404

Для котловин ТГО абсолютные величины поглощенной радиации составляют 526 МДж/м2 или 27% радиационного баланса, что

указывает на огромный резерв неиспользованной солнечной энергии.

Выявлены следующие закономерности распределения поглощенной радиации. Весной,

осенью и зимой на севере АСГС поглощенная радиация изменяется от 27 до 30 МДж/м2. В долинах её величина обычно не превышает 20-30 МДж/м2. В летнее время наблюдаются максимальные величины поглощенной радиации.

Альбедо. Интенсивность отражения радиации от подстилающей поверхности зависит как от радиационных свойств самой поверхности, так и от свойств облучающего потока радиации. Эти характеристики претерпевают существенные изменения во времени и пространстве, что, естественно, приводит к значительному изменению альбедо.

Альбедо подстилающей поверхности в Улу-Хемской котловине имеет хорошо выраженный годовой ход. Минимальные значения альбедо наблюдаются летом и в начале осени и составляют 0,18-0,19, максимальные - в зимнее время (с декабря по февраль) - 0,74-0,75. Наибольшее влияние на годовой ход альбедо оказывает снежный покров, возрастающий с абсолютной высотой местности.

В летний период средние значения альбедо склонов и дна высокогорных долин колеблются от 11-15 осыпей до 23-28% травы. Промежуточное положение занимают кустарники, альпийские луга, сглаженные скалы и редкие камни.

Эффективное излучение является одной из составляющих теплового баланса подстилающей поверхности. Обычно его значения получают, как остаточный член из уравнения радиационного

Месячные и годовые суммы р

баланса. В годовом ходе эффективного излучения минимальные значения приходятся на зимние месяцы (декабрь-февраль), максимальные - летом [Голещихин, 1985].

Годовые суммы эффективного излучения колеблются от 1400 до 2100 МДж/м2. С высотой наблюдается постепенное повышение как летних, так и годовых сумм эффективного излучения до высоты 1600-1800 м, выше они постепенно уменьшаются. Зимой рост эффективного излучения продолжается до самых больших высот. Доля эффективного излучения на различных метеостанциях составляет 73-90% радиационного баланса, что в десятки раз выше, чем в Европейской части России.

Радиационный баланс является очень изменчивой величиной и меняется в пределах 1200-2100 МДж/м2 (таблица 4).

Из-за большой изменчивости сумм радиационного баланса в пространстве можно говорить лишь о тенденции изменения по всей совокупности рассчитанных величин. Для годовых сумм прослеживается увеличение их до высот 1200-2000 м, выше происходит понижение их из-за увеличения периода со снежным покровом.

В предгорных районах Саян величина радиационного баланса составляет 1600-1700 МДж/м2. В Центрально-Тывинской котловине его значения увеличивается до 1946 МДж/м2, а на водораздельных участках несколько уменьшается.

Таблица 4

[иационного баланса, МДж/м2

Станция Высота, Месяцы

м I II III IV V VI

Хакасская 225 -29 -4 102 222 297 373

Кызыл 625 -17 3 131 256 335 390

Кош-Агач 1760 -43 -13 105 243 344 352

Станция Месяцы Год

VII VIII IX X XI XII

Хакасская 360 272 151 37 -28 -36 1717

Кызыл 377 297 176 53 -23 -32 1946

Кош-Агач 356 289 176 55 -3 -48 1813

Радиационный баланс в зимнее время изменяется с высотой в небольших пределах. Летом с высотой величина радиационного баланса убывает. Максимальные значения радиационного баланса могут быть в июне или июле в зависимости от режима облачности. Продолжительность времени с отрицательным радиационным балансом на разных высотах приблизительно одинакова и составляет 4-5

месяцев. В высокогорье этот период может быть несколько меньше.

Таким образом, на поступление солнечной радиации и распределение геофизических параметров в пространстве Алтае-Саянской горной страны влияет множество факторов, присущих только горному рельефу.

Литература

1. Голещихин, В. П. Радиационный режим внутриконтинентальной горной области (Алтай, Саяны) Ч. 1 /В.П. Голепшхин // Гляциология Сибири. - Томск. -1981.-Вып. 1 (16).-С. 32-97.

2. Голещихин, В. П. Радиационный режим внутриконтинентальной горной области (Алтай, Саяны) Ч. 2 / В.П. Голепшхин // Гляциология Сибири. - Томск. -1985.-Вып. 2 (17).-С. 14-74.

3. Кондратьев, К. Я. Актинометрия /К.Я. Кондратьев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 691 с.

4. Ревякин, В. С. Горноледниковые бассейны Алтая /B.C. Ревякин, В.П. Галахов, В.П. Голещихин. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1979. - 309 с.

5. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 223 с.

6. Севастьянов, В. В. Климат высокогорных районов Алтая и Саян / В.В. Севастьянов. - Томск: Изд-во ТГУ, 1998.-202 с.

ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЫВИНСКОЙ ГОРНОЙ ОБЛАСТИ В АЛТАЕ-САЯНСКОЙ ГОРНОЙ СТРАНЕ

М.Ф. Андрейчик Тувинский государственный университет, Кызыл

Принцип физико-географического районирования ландшафтов

Физико-географическое обоснование выделения Тывинской горной области в Алтае-Саянской горной стране. Андрейчик М.Ф.

Цель: обосновать выделение Тывинской горной области в физико-географическом районировании ландшафтов Алтае-Саянской горной страны.

Проблемы: разнообразие рельефа, растительности и климата; отсутствие стандартных методик для выделения таксонов в ландшафтах; проблема изучается более 200 лет; недостаточная изученность Республики Тыва.

Результаты исследований: в Алтае-Саянской горной стране в границах Республики Тыва выделены Тывинская горная область и пять округов как низших таксономических единиц районирования ландшафтов.

Ключевые слова: ландшафт, районирование, таксоны, страна, область, округ.

Physiographic ground of marking-out of Tuvan mountain area in Altai-Sayan highlands. Andreychik M.F.

Goal: to substantiate marking-out of Tuvan mountain area in physiographic landscape zoning of Altai-Sayan highlands.

Difficulties: variety of relief, vegetation and climate; absence of standard procedures to mark out taxons in landscapes; the problem has been studied for 200 years; insufficient knowledge of the Republic of Tuva.

The survey results: Tuvan mountain area and five districts as subordinate taxonomic units of landscape zoning.

Key words: landscape, zoning, taxons, highlands, area, district.

Управление окружающей средой и принятие решений в области природопользования можно обосновывать и осуществлять только на ландшафтном уровне. Однако концептуальные и методологические вопросы развития ландшафтной экологии находятся на стадии становления, несмотря на то, что этот термин введен в научную литературу в 1939 г. немецким ученым по дистанционным методам изучения ландшафтов и дешифрированию аэрофотоснимков Карлом Тролем [Кирпотин, 2002]. Основная цель этой дисциплины, сформулированной еще раньше - в 20-х годах XX в. президентом Американской ассоциации географов X. Берроуза, заключается в изучении взаимоотношения между людьми и территорией. Реальная необходимость изучения ландшафтной эколо-гии появилась лишь во второй половине XX в., когда техногенное воздействие человека на природные ландшафты достигло масштабов, сопоставимых с деятельностью геологических сил.

Районирование ландшафтов изучается на протяжении более 200 лет. В России изучение морфологии ландшафтов началось в начале XX в. [Высоцкий, 1909], дальнейшему развитию теории послужили работы [Солнцев, 1949, 1960; Геренчук, 1956; Исаченко, 1965, 2001 и др.]. Общепринятыми считаются следующие таксономические единицы физико-

географического районирования:

- страна - обширная часть материка, гео-мор-фологическое строение и географическое положение которой обусловливают определенный тип зональности (горизонтальный или вертикальный) природных условий на всем его протяжении [Естественно-историческое..., 1947];

- область - генетически обособленные территории, выделяемые в пределах стран, однородные по гипсометрии и геоморфологии, отличающиеся единством температурно-влаж-ностных характеристик, одинаковой степенью континентальности и типом зональной растительности [Тушинский, Давыдова, 1976].