Климатические ресурсы солнечной радиации на территории Удмуртской республики

УДК 551.581 А.А. Николаев

КЛИМАТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

На основании использования расчётных методов выполнена детальная оценка пространственной изменчивости ресурсов солнечной радиации Удмуртии. Построены мезоклиматические карты суммарной и прямой радиации, продолжительности солнечного сияния. Приведённое районирование даёт возможность рационально подойти к проблеме оптимального природопользования.

Ключевые слова: климатические ресурсы, суммарная радиация, прямая радиация, продолжительность солнечного сияния.

Солнечная радиация, поступающая к земной поверхности, является одним из основных клима-тообразующих факторов. Она является основным источником тепловой энергии почти для всех природных процессов, развивающихся в атмосфере, гидросфере и верхних слоях литосферы и обусловливает влаго- и теплообмен, суточный и годовой ход метеорологических элементов, определяет различия в радиационном нагреве земной поверхности. Наиболее значимым параметром радиационного режима является суммарная радиация и не только потому, что этот элемент характеризует источник энергии атмосферных процессов, но и вследствие того, что он играет главную роль при решении многих научных и прикладных задач [1].

Важной климатической характеристикой является солнечное сияние, его фактическая (при данных условиях облачности) и возможная (при ясном небе) продолжительность. Особенности атмосферной циркуляции и связанной с ней облачности приводят к нарушениям в широтном распределении характеристик солнечного сияния. Основной характеристикой солнечного сияния является суммарное число часов с солнечным сиянием или его продолжительность.

Наряду с временной структурой рядов солнечной радиации, позволяющей получить средние и вероятностные суммы радиации, большое значение имеет также пространственная структура. Мезо-климатическое районирование ресурсов солнечной радиации осуществляется в системе среднемас-штабного природно-климатического районирования, которое позволяет дифференцировать территорию на районы, отличающиеся особенностями метеорежима, формирующимися под влиянием мезомас-штабных неоднородностей деятельной поверхности [2]. Исследования пространственной структуры рядов солнечной радиации необходимы при выполнении различных научных разработок в гелиоэнер-гетике, градостроительстве, здравоохранении, сельском и лесном хозяйстве, а также для определения радиационных характеристик в пунктах, где не проводятся актинометрические наблюдения, для расчета средних по площадям, для решения вопроса об автоматическом контроле качества наблюдений [3].

Продолжительность солнечного сияния

Продолжительность солнечного сияния в основном зависит от длины дня, то есть широты места, и возрастает с севера на юг. Однако широтное распределение этой характеристики часто нарушается влиянием облачного покрова, обусловленного особенностями атмосферной циркуляции, и местными условиями, существенное влияние также оказывают условия расположения метеорологических площадок. Уменьшение продолжительности солнечного сияния отмечается в городах из-за наличия большого количества пыли и дыма в атмосфере, а также вследствие большой защищенности горизонта городскими постройками [1].

На территории Удмуртской Республики годовое число часов солнечного сияния изменяется от 1650 до 2000. Увеличение числа часов солнечного сияния происходит с севера на юго-восток. Уменьшение продолжительности солнечного сияния обусловлено в основном большей повторяемостью пасмурного состояния неба. Наибольшая продолжительность солнечного сияния (более 1900 ч) наблюдается в южных районах республики (Кизнерский, Можгинский, Граховский, Алнашский, Ка-ракулинский районы) (рис. 1). Достаточно высокими значениями солнечного сияния (1850-1900 ч) характеризуются районы, расположенные в центральной части республики (Киясовский, Малопур-гинский, Камбарский, южная часть Сарапульского района).

Рис. 1. Распределение среднегодовых значений продолжительности солнечного сияния

а - в январе; б - в апреле

В январе (рис. 2а) на территории Удмуртии значения продолжительности солнечного сияния убывают по мере продвижения с юга-запада на север территории. В северо-западной части района месячные значения продолжительности солнечного сияния наименьшие - 36-38 ч. Наибольшие значения наблюдаются на юго-востоке территории - 43-45 ч.

Резкое возрастание числа часов с солнечным сиянием наблюдается в период от февраля к марту, что обусловлено как уменьшением продолжительности дня, так и значительным уменьшением весной повторяемости пасмурных дней. В северо-западных районах число часов с солнечным сиянием в феврале составляет 70-72 ч, в марте - 120-125 ч. Почти в два раза увеличивается продолжительность солнечного сияния в марте по сравнению с февралем, а также и в других районах рассматриваемой территории.

В апреле (рис. 2б) суммы продолжительность солнечного сияния продолжают увеличиваться. На Европейской территории страны влияние астрономических факторов на продолжительность солнечного сияния перекрывается влиянием облачности, в результате чего на северо-западе республики отмечается минимум 178-180 ч. Максимальные величины (200-205 ч) наблюдаются на юге территории.

В июне-июле (рис. 3а) наибольшая продолжительность солнечного сияния наблюдается на юге территории (305-320 ч), что составляет 70-75% от возможной продолжительности солнечного сияния, наименьшая (260-270 ч) - на северо-западе, то есть 50-55% от возможного числа часов с солнечным сиянием за месяц. В августе величины продолжительности солнечного сияния увеличиваются с северо-запада на юго-восток. Максимальные суммы продолжительности солнечного сияния отмечаются на юге рассматриваемой территории (260-265 ч), минимальные - на севере региона (235-245 ч).

б

Рис. 3. Распределение среднемесячных значений продолжительности солнечного сияния

а - в июле; б - в октябре

а

Резкое уменьшение числа часов солнечного сияния наблюдается при переходе от сентября к октябрю. В северных районах продолжительность солнечного сияния уменьшается от 110-115 ч в сентябре до 40-45 ч в октябре (рис. 3б), то есть больше, чем в два раза. В других районах рассматриваемой территории обычно продолжительность солнечного сияния в октябре почти в два раза меньше, чем в сентябре.

В ноябре характер распределения продолжительности солнечного сияния в основном аналогичен октябрьскому - почти широтный ход изолиний и довольно равномерное увеличение значений числа часов солнечного сияния с уменьшением широты местности.

В декабре наименьшая продолжительность солнечного сияния отмечается на северо-западе территории около 15 ч (около 10% от возможной продолжительности), наибольшая - на юго-востоке, 40-50 ч (20-25% от возможной). В это время года продолжительность солнечного сияния больше зависит от облачности. В отдельные зимы продолжительность солнечного сияния составляет только 13% от возможной.

Следует отметить, что в отдельные годы, вследствие изменчивости циркуляционных процессов и связанных с ними условий облачности, могут наблюдаться значительные отклонения продолжительности солнечного сияния от средних многолетних значений [4].

Суточный ход продолжительности солнечного сияния аналогичен годовому ходу - с увеличением высоты солнца число часов солнечного сияния за месяц увеличивается. В летние месяцы продолжительность солнечного сияния регистрируется в основном с 3 до 21 ч. Максимальная продолжительность более 20 ч, в сумме за месяц отмечается около полудня (в среднем от 10 до 12 ч). В зимний период (декабрь - январь) запись солнечного сияния начинается значительно позднее и кончается раньше, причем наибольшее число часов солнечного сияния, около 8 - 9 ч в сумме за месяц, отмечается в основном после полудня, в интервале между 12 - 14 ч [4].

Составляющие радиационного баланса

В распределении по территории области поступающей к земной поверхности солнечной радиации много общего с распределением солнечного сияния, так как обе эти характеристики тесно связаны и определяются в основном одними и теми же факторами.

Как известно, актинометрическая сеть очень редкая и по данным актинометрических станций невозможно дать детальное пространственное распределение радиационных характеристик в пределах отдельных областей. Поэтому для анализа пространственного распределения составляющих радиационного баланса использовались данные NASA Surface meteorology and Solar Energy (The Atmospheric Science Data Center at NASA Langley Research Center) за период 1981 - 2003 [5].

б

Рис. 4. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2): а - в январе; б - в апреле

В зимний период на рассматриваемой территории суммы прямой солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, изменяются в широтном направлении с севера на юг. Минимальные значения отмечаются в декабре в северной части области и составляют 6-8 МДж/м2. Максимальный приход прямой радиации наблюдается в южной части региона - 12-13 МДж/м2. В январе и феврале значения прямой радиации несколько выше декабрьских. Так, максимальные значения прямой радиации в январе (рис. 4а) составили 21-24 МДж/м2, а в феврале - 48-50 МДж/м2. При этом максимум и минимум в эти месяцы отмечается так же, как и в декабре, - на юге и севере соответственно. В центральной части Удмуртии в зимние месяцы отмечается незначительный перепад в приходе потоков прямой солнечной радиации. Так, в каждый из трех месяцев величины прямой радиации в этой части области изменяются на 1-2 МДж/м2.

б

Рис. 5. Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2): а - в июле; б - в октябре

В весенние месяцы характер распределения сумм прямой радиации отличается от зимнего. Если в марте еще прослеживается широтное распределение изолиний с минимумом в северной части региона (116-120 МДж/м2) и максимумом в южной (130-134 МДж/м2), то в апреле (рис. 3б) уменьшение сумм прямой радиации происходит с юго-востока на северо-запад от 245-250 МДж/м2 до 228-230 МДж/м2. В мае в центральной и южной частях региона распределение прямой радиации принимает широтный характер.

В июне на большей части рассматриваемой территории отмечаются достаточно небольшие градиенты сумм прямой солнечной радиации. Так, в южной и центральной частях суммы прямой радиации меняются от 287 до 290 МДж/м2. Тогда как в северной части эти изменения составляют 10 МДж/м2 - от 278 до 288 МДж/м2. В июле (рис. 5а) изолинии приобретают более широтный характер. На севере региона суммы прямой радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, наименьшие и составляют 318-322 МДж/м2, а в южной части эта величина наибольшая - 335-345 МДж/м2.

В осенние месяцы (рис. 5б) поведение изолиний сумм прямой радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, также имеет широтный характер, с максимумом на юге области и с минимумом на севере.

Существенное влияние на приход солнечной радиации оказывает облачность. Так, в зимние месяцы на рассматриваемой территории отмечается явное преобладание рассеянной радиации над прямой. Распределение сумм рассеянной радиации по территории области носит зональный характер, увеличение значений происходит с севера на юг.

В марте на всей территории Удмуртии еще сохраняется преобладание сумм рассеянной радиации над прямой. В апреле и мае преобладают уже суммы прямой радиации. Характер распределения рассеянной радиации в эти месяцы сходен с распределением прямой радиации.

В летние месяцы значения рассеянной радиации также несколько ниже, чем прямой. При этом характер поведения изолиний в июне совпадает с июньским поведением изолиний прямой радиации. А в два других месяца он несколько отличный. В июле, как и в июне, в центральной и южной частях региона отмечается небольшой перепад (294-300 МДж/м2) в значениях рассеянной радиации. В северной части их изменения по территории несколько больше - 288-298 МДж/м2.

Начиная с сентября, возрастает доля рассеянной радиации в общем потоке суммарной солнечной радиации. Распределение изолиний рассеянной радиации в осенние месяцы приобретает широтный характер с минимумом на севере рассматриваемой территории и максимумом на юге.

При рассмотрении данных о распределении сумм суммарной солнечной радиации в зимние месяцы (рис. 6а) следует отметить понижение ее в направлении с юга на север, что связанно с сокращением продолжительности дня и снижением высоты Солнца.

В марте на всей рассматриваемой территории происходит резкое увеличение сумм суммарной радиации по сравнению с зимними месяцами. Если в декабре-январе суммы суммарной радиации изменялись в пределах 26-65 МДж/м2, в феврале - 114-142 МДж/м2, то в марте они достигают 270-310 МДж/м2.

Рис. 6. Суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м2): а - в январе; б - в июле

Отличительной чертой распределения среднемесячных значений суммарной радиации в летний период является установление высоких ее значений на всей рассматриваемой территории при малой их географической изменчивости. Максимальное количество солнечного тепла получают южные районы Удмуртии - 500-650 МДж/м2 (рис. 6б).

Пространственное распределение показателей гелиоэнергетического потенциала

Как в нашей стране, так и за рубежом исследованиям непосредственного использования солнечной энергии уже давно уделяется значительное внимание. Особое значение эта проблема приобрела в настоящее время, когда наряду с развитием и повышением эффективности использования традиционных топливно-энергетических ресурсов появилась необходимость в привлечении новых источников энергии, таких, например, как Солнце. Солнечная энергия характеризуется, прежде всего, непрерывностью потоков, и ее использование не сопровождается вредным воздействием на окружающую среду. Известны различные виды гелиоустановок, которые подразделяются на две категории. Одни из них типа «горячих ящиков» (без концентрации энергии), температура поверхности которых достигает 100—150°С, могут рассматриваться как низкотемпературные. Другие - высокотемпературные (свыше 150°С) с отражательными зеркалами, концентрирующими энергию солнца [6].

К настоящему времени разработан ряд кадастров, в большинстве которых в основном даны ос-редненные часовые, месячные и годовые характеристики прихода солнечной радиации, а также месячной продолжительности солнечного сияния. В них приводятся выборочные показатели наблюдаемых максимальных значений, количество ясных дней без солнца за месяц и год. Значительно меньше освещены вопросы возможных вариаций поступления солнечной радиации во времени [7].

Для разработки и эксплуатации большинства установок требуются данные о прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную к солнечным лучам и наклонную поверхность, о рассеянной и суммарной радиации, получаемой горизонтальной поверхностью. В качестве одного из критериев используется относительная характеристика межгодовой изменчивости - коэффициент вариации. Данный коэффициент отражает степень устойчивости (из года в год) радиационного режима и поэтому является показательным при сравнительных оценках отдельных районов. В ряде случаев необходимо располагать материалами о спектральном составе солнечной радиации, длинноволновом эффективном излучении. Из других метеорологических характеристик в первую очередь важны данные об облачности и продолжительности солнечного сияния, иногда требуются сведения о температуре воздуха и скорости ветра [8].

Возможная месячная продолжительность работы гелиоустановок (ч) при условии

безоблачного неба ^ > 0,42 кВт/м2)

Широта I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

60 0 157 273 348 428 450 453 397 306 223 84 0

59 0 168 279 348 428 444 446 391 306 229 102 0

58 62 174 279 348 422 438 440 391 306 236 120 0

57 87 179 285 348 422 438 440 391 306 236 132 0

56 105 185 285 348 415 432 434 391 312 242 144 56

55 124 190 291 348 415 432 434 384 312 248 156 81

Согласно критериям гелиоэнергетического кадастра [7] солнечная радиация может считаться «технически приемлемой» с того момента, когда ее интенсивность достигает 0,42 кВт/м2. Данная интенсивность при условии средней прозрачности атмосферы наблюдается при высоте солнца не ниже 10о, которая достигается на широтах 50-60о с.ш. через 1-1,5 ч после восхода и перед заходом. С учетом сказанного, а также с использованием сведений о высоте Солнца на различных широтах, была определена максимально возможная месячная продолжительность работы солнечных установок при условии безоблачного неба (табл.). Из анализа таблицы следует, что годовая амплитуда рассматриваемой величины быстро возрастает в направлении высоких широт. Так, на широтах 60-62о в июне и июле возможная продолжительность работы гелиоустановки может превышать 450 ч, и имеет ярко выраженный годовой ход с минимумом в декабре-январе и максимумом в июне-июле.

Выводы

Детальный анализ режима характеристик солнечной радиации и солнечного сияния на территории Удмуртии, выполненный на основе карт распределения их средних многолетних значений по ме-

сяцам и за год, позволил выявить особенности структуры и динамики поля исследуемых показателей в годовом ходе, обусловленном в основном устойчивым проявлением циркуляционного фактора. При этом происходит увеличение радиационных показателей с северо-запада на юго-восток, от 1600 до 2400 ч для солнечного сияния и от 3345 до 4500 МДж/м2 для суммарной радиации. Исследование межгодовой изменчивости и характеристик солнечной радиации показало, что в целом их распределение по территории подобно распределению их средних значений. Наибольшей изменчивостью показатели солнечной радиации отличаются в летний период и составляют 60-115 МДж/м2, наименьшей в зимний - 4-17 МДж/м2.

Выполненные расчеты повторяемости непрерывной продолжительности солнечного сияния 6 ч и более и возможной месячной продолжительности работы гелиоустановок показали, что с увеличением широты возрастает годовая амплитуда продолжительности работы гелиоустановок, в июне и июле на широтах 60-62о с.ш. возможная продолжительность работы гелиоустановки может превышать 450 ч. Непрерывная продолжительность солнечного сияния более 6 ч в весенне-летний период может достигать 40-50% на севере и до 50-60% на юге рассматриваемой территории.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set. 2007. URL: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/

2. Переведенцев Ю.П., Наумов Э.П., Шанталинский К.М. Климатические условия и ресурсы Республики Удмуртия. Казань: КГУ, 2009. 211 с.

3. Renewables 2011 Global Status Report // Renewable Energy Policy Network for 21st Century. 2011. URL: http://www. ren21.net/Portals/97/ documents/GSR/REN21_GSR2011.pdf

4. Perevedentsev Yu.P., Naumov E.P., Nikolaev A.A. Solar radiation regime in the middle Volga region // Proceedings on the 2-nd International symposium on Energy, Enviroment and Economics (EEE-2). 1998. Vol. 2. Р. 245-247.

5. Николаев А.А. Пространственное распределение показателей гелиоэнергетического потенциала на территории Среднего Поволжья // Современные проблемы географии и природопользования. 2001. Вып. 5-6. С. 141-144.

6. Переведенцев Ю.П., Николаев А.А. Климатические ресурсы солнечной радиации и ветра на территории Среднего Поволжья и возможности их использования в энергетике. Казань: Отечество, 2002. 120 с.

7. Пигольцина Г.Б. Радиационные факторы мезо- и микроклимата. СПб.: СПбГЛТА, 2003. 200 с.

8. Хабутдинов Ю.Г., Шанталинский К.М., Николаев А.А. Учение об атмосфере: учеб. пособие. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2010. 245 с.

Поступила в редакцию 26.04.12

A.A. Nikolaev

Climatic resources of solar radiation in the territory of the Udmurt Republic

The intention of the paper is to make a detailed assessment of spatial variability of solar radiation resources of Udmur-tiya through computational methods. Mesoclimatic maps of total and direct radiation and of the duration of sunshine have been made. The above zoning allows a rational approach to the issue of optimal nature management.

Keywords: climatic resources, global radiation, direct radiation, sunshine.

Николаев Александр Анатольевич, кандидат географических наук, доцент

ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская, 18 E-mail: Aleksandr.Nikolaev@ksu.ru

Nikolaev A.A.,

candidate of geography, associate professor

Kazan Federal University

420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya st., 18

E-mail: Aleksandr.Nikolaev@ksu.ru