СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ РАДИАЦИИ АЭРОЗОЛЯМИ И ОБЛАКАМИ НА УРОВНЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу изменений погоды, климата и химического состава атмосферы, экологической ситуации в регионе.

Известен способ оценки пространственной изменчивости потоков солнечной радиации и связанных с солнечной радиацией метеорологических параметров (патент US №6748327 B1), используемый для оценки географической изменчивости зависящих от солнечной радиации метеорологических параметров на основе измерений на метеорологических станциях. Способ включает статистический анализ региональных данных, вычисление средних климатических характеристик и отклонений от них, построение эмпирических моделей изменчивости средних значений и отклонений. Указанный способ позволяет на основе корреляционных соотношений по данным на отдельных станциях оценивать аналогичные характеристики солнечной радиации и связанные с ними метеорологические характеристики в областях, не имеющих измерений.

Однако данный способ не позволяет оценить фактические значения потоков солнечной радиации в географической точке, представляющей исследовательский интерес, по фактическим данным о метеорологических характеристиках, влияющих на ослабление солнечной радиации, таким как концентрация воздуха, температура, содержание озона и прозрачность атмосферы. Кроме того, аналог позволяет статистически оценивать интегральные, т.е. не зависящие от спектра солнечного излучения, характеристики потоков радиации и не позволяет учитывать спектральные различия ослабления солнечной радиации.

В указанном выше аналоге для решения этой проблемы используются географические корреляционные связи, позволяющие учесть географическую изменчивость, но не учитывающие фактическое состояние погоды в точке интереса.

Известный способ вычисления потоков солнечной радиации с учетом молекулярного рассеяния (статья JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 97, NO.DY, PAGES 7593-7601, MAY 20, 1992), заключается в вычислении прямых и рассеянных потоков солнечной радиации для вычисления скоростей фотодиссоциации атмосферных газов. Этот способ позволяет учитывать рассеяние радиации атмосферными газами на разных высотах атмосферы.

Однако данный способ не позволяет учесть рассеяние и ослабление атмосферным аэрозолем и облаками и ориентирован на вычисление потоков солнечной радиации в стратосфере, т.е. выше слоев облачности и аэрозольного загрязнения, и не позволяет вычислять спектральные потоки солнечной радиации на уровне земной поверхности.

Техническим результатом является повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки и их локализация за счет учета данных о метеорологической ситуации, общем содержании озона и прозрачности атмосферы.

Потоки солнечной радиации на уровне земной поверхности определяют нагрев почвы, облучение биологических организмов, влияют на нагрев атмосферы, атмосферную циркуляцию и являются ключевым фактором комфортного проживания населения. Точные оценки потоков солнечной радиации крайне необходимы для осуществления численного прогноза погоды, выбора режимов энергопотребления, оценки экологической ситуации. Величина потоков солнечной радиации на уровне земной поверхности определяется ее ослаблением при прохождении через атмосферу, в частности содержанием поглощаемых газов и, прежде всего молекулярным кислородом и озоном, молекулярным рассеянием, ослаблением облаками и аэрозолем.

Для решения поставленной цели в качестве исходных данных берут величину приземного давления (p), влажности воздуха, общего содержания озона на уровне земной поверхности (S_O3), общий балл облачности N_h, средний размер облачных и аэрозольных частиц , координаты точки оценки (φ - широта точки оценки), дату и время оценки.

Далее определяют F_λ,∞ - внеатмосферный спектральный поток солнечной радиации, где λ - длина волны в спектре Солнца, которая задается от 290 до 700 нм с шагом 5 нм. Для каждого значения длины волны по актинометрическому справочнику определяется F_λ,∞. Также для тех же длин волн из справочника Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies, NASA, JPL Evaluation 15, JPL Publication 06-02, Pasadena, California, 2006, находится σ_λ,O3 - сечение поглощения озона на длине волны λ.

После этого вычисляют k_λ,scat - коэффициент ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами для тех же длин волн - по формуле:

Стандартное приземное давление p₀=1025 мб.

После того определяют коэффициент мутности β для тех же длин волн как отношение коэффициента ослабления для текущей атмосферы к коэффициенту ослабления для идеальной атмосферы, не содержащей облаков и аэрозолей. В зависимости от степени загрязнения атмосферы фактор мутности принимается равным 3 или 4.

Далее определяют коэффициент ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками k_λ,cloud для вышеуказанных длин волн по формуле:

.

Коэффициент n зависит от размера облачных и аэрозольных частиц и определяется по формуле , где - средний размер облачных и аэрозольных частиц.

После этого вычисляют оптическую массу атмосферы m_θ.

Оптическая масса атмосферы m_θ представляет собой величину, показывающую, во сколько раз увеличивается путь солнечного луча в атмосфере при зенитном угле θ по сравнению с нулевым зенитным углом.

Зенитный угол Солнца θ меняется в зависимости от вращения Земли вокруг Солнца и вращения Земли вокруг своей оси.

В течение года Земля описывает вокруг Солнца эллиптическую орбиту. Наблюдателю, находящемуся на Земле, наоборот, кажется, что Солнце движется по небесному своду и описывает в течение года путь, называемый эклиптикой. Плоскость эклиптики составляет угол 23°27' (около 23 с половиной градуса) с плоскостью земного экватора. Кроме того, Земля еще вращается вокруг своей оси, в результате чего зенитный угол зависит еще от часового угла.

Таким образом, с учетом изменения склонения Солнца, широты наблюдателя и времени относительно истинного полдня зенитный угол с учетом сферической геометрии определяется по формуле:

.

Склонение орбиты Земли δ, зависящее от даты оценки и времени истинного полдня t_p в секундах определяется по актинометрическому справочнику.

С учетом сферичности Земли и атмосферы оптическая масса т@ вычисляется по формуле:

.

Далее непосредственно определяется спектральный поток солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками с длиной волны λ (для всех длин волн с длинами от 290 до 700 нм с шагом 5 нм) на уровне земной поверхности F_λ,surƒ по формуле:

.

Изобретение относится к области физики атмосферы и может быть использовано в метеорологических целях. Сущность: по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляют внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическую массу атмосферы. По данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяют коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками. Рассчитывают спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками. Технический результат: повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки.

Способ определения спектральных потоков солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками на уровне земной поверхности, заключающийся в том, что по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляются внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическая масса атмосферы, отличающийся тем, что по данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяются коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками и по формуле определяются спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками.