Практическая работа 2

Практическая работа 2.
Общая характеристика солнечной радиации. Солнечная радиация у земной поверхности. Отражение и поглощение радиации деятельным слоем. Радиационный баланс деятельного слоя.

Солнечная радиация, которая является основным источником энергии для всех процессов на Земле, в том числе и в атмосфере распространяется по всем направлениям в виде электромагнитных волн. Общий поток солнечной энергии вне атмосферы при среднем расстоянии между Землей и Солнцем (149,6х106 км) считают постоянной величиной. Энергетическую освещенность солнечной радиации, падающей на площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам в единицу времени на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца называют солнечной постоянной Sо.
Ослабление солнечной радиации при ее прохождении через атмосферу.
Ослабление прямой солнечной радиации при ее прохождении от верхней границы атмосферы до земной поверхности определяется формулой Бугера
S = S0 pm (1),
где S - энергетическая освещенность солнечной радиацией площадки у земной поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам;
S0 - солнечная постоянная;
p - интегральный коэффициент прозрачности атмосферы;
m - оптическая масса атмосферы, пройденной солнечными лучами.
При m = 1, т.е. при Солнце в зените,
S = S0p, p = S/S0.
Следовательно, коэффициент прозрачности показывает, какая доля солнечной радиации доходит до земной поверхности при отвесном падении солнечных лучей.
При hc = 0, т.е. при Солнце на горизонте, m равна не бесконечности, а 35.
Ослабление радиации путем поглощения и рассеяния можно разделить на две части: ослабление постоянными газами (идеальной атмосферой) и ослабление водяным паром и аэрозольными примесями.
Соотношение коэффициента прозрачности идеальной атмосферы (рi) к коэффициенту прозрачности реальной атмосферы (р) называется фактором мутности (Км). Он показывает, какое число идеальных атмосфер нужно взять, чтобы получить такое же ослабление радиации, какое производит реальная атмосфера.
Км = lg р/ lg рi
Значения Км определяются с точностью до сотых.
Приход солнечной радиации на земную поверхность.
Энергетическая освещенность прямой солнечной радиацией горизонтальной поверхности (S(( инсоляция) вычисляется по формуле:
S( = S sin hc,
где S - прямая радиация на перпендикулярную поверхность;
hc - высота Солнца в момент, когда вычисляется S(.
Энергетическая освещенность суммарной солнечной радиации вычисляется по формуле:
Q = S( + D,
где S( - энергетическая освещенность прямой радиации на горизонтальную поверхность;
D - энергетическая освещенность рассеянной солнечной радиации.
Эти мгновенные (правильнее - секундные) значения выражаются в кВт/м2 с точностью до сотых.
Действительные часовые, суточные, месячные и годовые энергетические экспозиции солнечной радиации на горизонтальную поверхность определяются путем численного интегрирования функций, выражающих зависимость радиации от времени. Энергетические экспозиции за определенный интервал времени называют часовыми, суточными, месячными и годовыми суммами соответствующей (прямой, рассеянной, суммарной) радиации и обозначают (чS, (сутD. Все эти суммы выражаются в МДж/м2, часовые и суточные с точностью до сотых, месячные - до единиц, годовые до десятков.
Отражение и поглощение солнечной радиации деятельным слоем.
Коэффициент отражения солнечной радиации деятельным слоем - A (альбедо) - определяется как отношение:
A = Qотр / Q,
где Q отр - отраженная радиация, т.е. отразившаяся часть суммарной радиации (кВт/м2).
Q - суммарная солнечная радиация (кВт/м2).
Альбедо выражается в долях единицы с точностью до сотых или в процентах. Часть суммарной радиации (кВт/м2), поглощенная деятельным слоем, составляет:
Q п= Q (1 – A)
Эту величину (Qп) называют поглощенной радиацией или коротковолновым радиационным балансом. В последнем случае ее обозначают Вк

Излучение деятельного слоя.
Энергетическая светимость деятельного слоя (Ес) вычисляется по формуле:
Eс = ((T04,
где ( - коэффициент теплового излучения, называемый также коэффициентом черноты,
( - постоянная Стефана-Больцмана, 5, 67 х10 -8 вт/ м2 х К
Т0 - температура деятельного слоя (К).
Произведение (Т04 при разных температурах затабулировано (приложение 1).
Эти же значения характеризуют поглощательные свойства деятельного слоя по отношению к падающей на него длинноволновой радиации.
Излучение деятельного слоя называют также собственным излучением. Мгновенные (секундные) значения Ес и энергетические экспозиции этого излучения за различные интервалы (суммы) выражаются в тех же единицах и с тем же округлением, что и соответствующие характеристики коротковолновой радиации.
Встречное излучение.
Энергетическая освещенность деятельного слоя встречным излучением при ясном небе определяется по формуле Брента:
ЕА = (ТА 4 (D + G13 EMBED Equation.2 1415)
где -ТА - температура воздуха (К) на высоте 2 м над земной поверхностью, е -парциальное давление водяного пара (гПа) на той же высоте, D и G - постоянные (D =0,61, G =0,05).
Поглощенная (ЕА п) и отраженная (Е А отр) деятельным слоем части встречного излучения определяются соотношениями:
ЕА п =( ЕА , ЕА отр = (1-( ) ЕА
где ЕА, ЕА п и ЕА отр выражаются в тех же единицах, что и Ес.
Эффективное излучение и радиационный баланс деятельного слоя.
Эффективное излучение деятельного слоя (Е эф) при ясном небе определяется соотношением:
Eэф = Eс - (Eв ,
где Е с - собственное излучение;
Е в - встречное излучение.
( - коэффициент черноты.
Эффективное излучение, взятое со знаком минус, представляет собой длинноволновый радиационный баланс
Вд =(Eв - Eс

Эффективное излучение при наличии облачности характеризуется соотношением:
Еэф о = Еэф я (1-Сн nн -Ссnс -Свnв ),
где Еэф о - эффективное излучение при облачности разного яруса,
Еэф я - эффективное излучение при ясном небе,
С- эмпирические облачные коэффициенты для облачности разного яруса ( Сн- нижнего, равный 0,076, Сс - среднего, равный 0,052, и Св - верхнего -0,022).
nн , nс, nв - количество облаков в баллах по ярусам
Радиационный баланс деятельного слоя характеризуется соотношением:
R = (S( + D) (1-A) - Eэф
Мгновенные значения радиационного баланса деятельного слоя и его суммы выражаются в тех же единицах и с таким же округлением, как и все остальные потоки радиации.

Контрольные вопросы к практической работе 2.
Как в метеорологии принято подразделять электромагнитную радиацию?
Расскажите о законах Вина и Стефана-Больцмана.
Каков спектральный состав солнечной радиации вне земной атмосферы?
Что понимается под солнечной постоянной, в каких единицах она измеряется и от чего зависит?
Что называется прямой солнечной радиацией? Как вычислить энергетическую освещенность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность?
Какие изменения происходят с солнечной радиацией при ее проникновении через атмосферу? Какие вещества являются наиболее сильными поглотителями и в каких участках спектра?
Как происходит рассеяние солнечной радиации в атмосфере? Сформулируйте закон Рэлея. Какие явления связаны с рассеянием радиации?
Что такое «дальность видимости»?
Что такое коэффициент прозрачности атмосферы, оптическая масса атмосферы, фактор мутности? От чего они зависят?
От чего зависит суточный и годовой ход прямой солнечной радиации?
Суммарная солнечная радиация.
Альбедо поверхности, что оно характеризует, каковы средние значения альбедо различных естественных поверхностей?
Что такое поглощенная радиация?
Что такое собственное излучение. Каков спектральный состав излучения Земли?
Что такое встречное излучение? Каков его спектральный состав?
Эффективное излучение. Радиационный баланс земной поверхности.
Что такое «парниковый эффект»? Какие газы его создают?
Используя карты приложения 3 составьте письменное описание географических закономерностей годового и сезонного распределения
суммарной солнечной радиации
радиационного баланса.

Выполните следующие задания:
1. При экстраполяции ракетных спутниковых измерений у верхней границы атмосферы (таблица 2.1.) получено следующее распределение спектральной плотности энергетической освещенности солнечной радиацией, перпендикулярной к лучам поверхности (S(0 кВт/ м2* мкм) по длинам волн (( мкм).
Представить графически распределение спектральной плотности энергетической освещенности солнечной радиации и проанализировать спектр солнечной радиации, приходящей к Земле, т.е.
выделить основные спектральные диапазоны;
найти по графику длину волны, на которую приходится наибольшая энергия. В какой области спектра лежит эта волна?
проинтегрировать функцию S(0 (13 EMBED Equation.3 1415) в пределах от 0,16 до 10,00 мкм и найти солнечную постоянную, 4.вычислить доли ультрафиолетовой (13 EMBED Equation.3 1415< 0,40мкм), видимой (0,40 - 0,76мкм) и инфракрасной (13 EMBED Equation.3 1415> 0,76мкм) радиации в общем притоке солнечной радиации к Земле. (При вычислении определенного интеграла функции S13 EMBED Equation.3 1415(13 EMBED Equation.3 1415) в указанных пределах использовать общую формулу трапеции).
2.На основе данных (таблица 2.2) постройте графики распределения средней суточной солнечной радиации на верхней границе атмосферы, прямой и рассеянной солнечной радиации у земной поверхности. Дайте письменное объяснение закономерностям распределения разных видов солнечной радиации на разных широтах.
3. Сравните величину прямой солнечной радиации, получаемой горизонтальной поверхностью и склонами:
а) южной экспозиции крутизной 300, при высоте Солнца над горизонтом 900, 600;
б) северной экспозиции крутизной 600 при высоте Солнца над горизонтом 900, 600;
в) южной экспозиции крутизной 600, при высоте Солнца над горизонтом 900, 600;
г) северной экспозиции крутизной 300, при высоте Солнца над горизонтом 900, 600.
Значение инсоляции при высоте Солнца в 900 принять равным 1,00 кВт/м 2.
Сделать выводы о закономерностях прихода солнечной радиации на склоны разной экспозиции. Решение пояснить чертежами.
4. На основе приведенных в таблице 2.3 действительных месячных сумм прямой радиации на горизонтальную поверхность (МДж/м2) в Санкт-Петербурге и в Воейково (30 км от центра Санкт-Петербурга) построить график годового хода прямой солнечной радиации. Найти годовые суммы прямой солнечной радиации. На сколько процентов одна из них больше другой? Указать возможные причины различия годовых сумм прямой солнечной радиации в этих двух пунктах, расположенных близко друг к другу.
5. При высоте Солнца 300 прямая радиация на перпендикулярную поверхность составила 0,72 кВт/м2, а при высоте Солнца 550 - 0,82 кВт/м2. Вычислить коэффициент прозрачности для обоих случаев. Если предположить, что исходные данные получены в один и тот же день в одном и том же пункте, то можно ли утверждать, что за время, прошедшее между измерениями, изменилось оптическое состояние атмосферы? Какая другая причина могла вызвать изменение прозрачности? (Значения определять по таблице в приложении 2)
6. При высоте Солнца 420 прямая солнечная радиация на перпендикулярную поверхность равна 0,63 кВт/м2. Найти фактор мутности. Каков смысл полученного результата?
(Значение рi при высоте Солнца в 420 составляет 0,911).
7. Найти суммарную радиацию, если при высоте Солнца 300 прямая радиация на перпендикулярную поверхность составляла 0,42 кВт/м2, а рассеянная радиация 0,14 кВт/м2
1.Может ли рассеянная радиация быть больше прямой, приходящейся на горизонтальную поверхность?
2.Может ли суммарная радиация состоять только из прямой радиации или только из рассеянной?
3.От каких факторов зависит соотношение между прямой и рассеянной радиацией, поступающей к земной поверхности?
8. Альбедо свежевспаханного влажного чернозема составляет около 10%, а чистого сухого снега - около 90%. Если суммарная радиация на этих участках одинакова, то какой участок поглощает больше солнечной радиации и во сколько раз? Как влияет различие в альбедо на количество поглощенной радиации? Как это сказывается на тепловом режиме разных участков деятельного слоя и прилегающих к нему слоев атмосферы при одинаковом поступлении солнечной радиации?
9. Средние значения альбедо (%) по месяцам в Санкт-Петербурге и Воейково (пригород Санкт-Петербурга) приведены в таблице 2.4. По этим данным построить график и указать возможные причины различия годового хода альбедо в этих пунктах.
10. Многолетняя средняя месячная температура деятельного слоя в Воейково в июле, когда почва покрыта редкой травой, приведена в таблице 2.5. По данным этой таблицы вычислить энергетическую светимость деятельного слоя в каждый срок. Построить и проанализировать график суточного хода. Указать причину изменений Ес. Вычислить суточную сумму энергетической светимости деятельного слоя.
(Значения ( для редкой травы принять равным 0,975, значения Ес в 0ч.30 мин использовать дважды - в начале и в конце суток, значения 13 EMBED Equation.3 1415Т4 приведены в приложении 1.).
11. Многолетняя средняя месячная температура деятельного слоя в Самаре в 12час.30 мин приведена в таблице 2.6. Вычислить среднюю за каждый указанный месяц энергетическую светимость деятельного слоя, считая что в феврале и декабре поверхность покрыта снегом, а в остальные месяцы - редкой травой. Построить график годового хода Ес и указать возможные причины годового изменения этой величины.
(Значение ( для чистого снега составляет 0,986, а для редкой травы 0,975).
12. Расчеты показали, что при отсутствии атмосферы среднее для всей Земли альбедо ее поверхности составляло бы 2,3%. Какой была бы при этом средняя температура деятельного слоя Земли? Зная, что в действительности она составляет около 15,0 0С, сделать вывод о характере влияния атмосферы на тепловое состояние деятельного слоя. При решении задачи исходить из условия радиационного равновесия планеты (поглощение солнечной радиации равно длинноволновому излучению). Средний коэффициент теплового излучения поверхности Земли считать равным 0.95.
13. Температура деятельного слоя редкой травы 30,00С, температура воздуха 20,00С, парциальное давление водяного пара 16,0 гПа, небо ясное. Вычислить поглощенную часть встречного излучения, земное излучение и разность между ними. Приход или расход длинноволновой радиации в деятельном слое преобладает в данном случае? Возможно ли обратное соотношение между ними? Как называется найденная разность? О каком соотношении двух первых величин свидетельствует ее знак? Часто ли наблюдается такое соотношение?
(( редкой травы равно 0,975)
14. Вычислить эффективное излучение деятельного слоя чистого снега, температура которого составляет -6,00С, если температура воздуха -5,00С, парциальное давление водяного пара 4,0 гПа и наблюдается 4 балла облаков среднего и 5 баллов облаков нижнего яруса.
15. Вычислить радиационный баланс деятельного слоя, если поглощенная часть прямой радиации на горизонтальную поверхность составляет 0,35 кВт/м2 , рассеянной радиации 0,08 кВт/м2, встречного излучения 0,30 кВт/м2, а земное излучение равно 0,40 кВт/м2. О чем говорит знак ответа? Для какого времени суток или года он характерен, если исходные данные относятся к умеренным широтам?
16. Найти радиационный баланс деятельного слоя, если поглощенная часть коротковолновой радиации равна 0,03 кВт/м2 , а эффективное излучение 0,08 кВт/м2. Каков смысл знака ответа? К какому времени суток (или года) относятся исходные данные, если они получены в умеренных широтах при безоблачном небе?

Таблицы к работе 2.
13 EMBED Equation.3 1415
S13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
S13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
S13 EMBED Equation.3 1415

0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
0.26
0.28
0.30
0.32
0.34
0.36
0.38
0.40
0.42
0.44
0.000
0.001
0.011
0.057
0.063
0.130
0.222
0.514
0.830
1.076
1.098
1.120
1.429
1.747
1.810
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
0.56
0.58
0.60
0.62
0.64
0.66
0.68
0.70
0.72
0.76
2.066
2.074
1.942
1.833
1.783
1.695
1.675
1.666
1.602
1.544
1.486
1.427
1.369
1.314
1.235
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
10.00

1.107
0.746
0.484
0.336
0.244
0.159
0.103
0.031
0,009
0.004
0.002
0.001
0.001
0.000


Таблица 2.2.Среднесуточный приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность, кВт /м 2. (Данные в таблице
приведены для северного полушария).

Дата
Широта (град.)


0-10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
60-90

На верхней границе атмосферы

22/12
0,383
0,324
0,260
0,191
0,121
0,055
0,004

21/3
0,432
0,420
0,396
0,355
0,308
0,250
0,147

22/6
0,404
0,440
0,463
0,477
0,481
0,477
0,491

23/9
0,425
0,412
0,398
0,351
0,304
0,246
0,145

Прямая солнечная радиация у земной поверхности

22/12
0,114
0,112
0,094
0,057
0,025
0,009
0,001

21/3
0,133
0,156
0,144
0,112
0,081
0,068
0,038

22/6
0,101
0,118
0,151
0,163
0,128
0,111
0,093

23/9
0,119
0,113
0,140
0,128
0,091
0,055
0,019

Рассеянная радиация у земной поверхности

22/12
0,045
0,055
0,046
0,036
0,024
0,011
0,001

21/3
0,075
0,073
0,069
0,065
0,058
0,046
0,033

22/6
0,073
0,079
0,086
0,087
0,088
0,085
0,107

23/9
0,075
0,072
0,068
0,064
0,056
0,045
0,034


Таблица 2.3. Действительные месячные суммы прямой радиации на горизонтальную поверхность (МДж/м2 ) в Санкт-Петербурге и в Воейково.

Пункт
Февраль
Апрель
Июнь
Август
Октябрь
Декабрь

Санкт-Петербург
13
163
301
167
25
0

Воейково
21
193
327
184
21
4


Таблица 2.4. Средние значения альбедо (%) в Санкт-Петербурге и Воейково (пригород Санкт-Петербурга) составляют по месяцам:
Пункт
Февраль
Апрель
Июнь
Август
Октябрь
Декабрь

Санкт-Петербург
58
17
17
18
19
47

Воейково
71
28
18
19
22
69


Таблица 2.5. Многолетняя средняя месячная температура деятельного слоя в Воейково в июле.
Срок,час.мин.
0.30
6.30
9.30
12.30
15.30
18.30

t 0C
12,6
16,3
24,4
27,7
26,6
19,3


Таблица 2.6. Многолетняя средняя месячная температура деятельного слоя в Самаре в 12час.30 мин. составляет:
Месяц
Февраль
Апрель
Июнь
Август
Ноябрь
Декабрь

t0C
-12,4
13,8
46,0
39,3
11,5
-7,7


Приложение 1
Значения 13 EMBED Equation.3 1415Т4 13 EMBED Equation.3 1415(кВт/м2) для разных температур
T0С
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

-20
0,23
0,23
0,23
0,22
0,22
0,22
0,21
0,21
0,20
0,20

-10
0,27
0,27
0,26
0,26
0,26
0,25
0,25
0,24
0,24
0,24

-0
0,32
0,31
0,31
0,30
0,30
0,29
0,29
0,28
0,28
0,28

0
0,32
0,32
0,33
0,33
0,34
0,34
0,34
0,35
0,35
0,36

10
0,36
0,37
0,37
0,38
0,39
0,39
0,40
0,40
0,41
0,41

20
0,42
0,42
0,43
0,43
0,44
0,45
0,45
0,46
0,47
0,47

30
0,48
0,49
0,49
0,50
0,50
0,51
0,52
0,52
0,53
0,54



Приложение 2.

Таблица Бемпорада (значения m при разных высотах Солнца h)

h
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

0
39,6
27,0
19,8
15,4
12,4
10,4
8,9
7,8
6,9
6,18

10
5,60
5,12
4,,72
4,37
4,08
3,82
3,59
3,39
3,21
3,05

20
2,90
2,77
2,65
2,55
2,45
2,36
2,27
2,20
2,12
2,06

30
2,00
1,94
1,88
1,83
1,78
1,74
1,70
1,66
1,62
1,59

40
1,55
1,52
1,49
1,46
1,44
1,41
1,39
1,37
1,34
1,32

50
1,30
1,28
1,27
1,25
1,24
1,22
1,20
1,19
1,18
1,17

60
1,15
1,14
1,13
1,12
1,11
1,10
1,09
1,09
1,08
1,07

70
1,06
1,06
1,05
1,05
1,04
1,04
1,03
1,03
1,02
1,02

80
1,015
1,012
1,010
1,007
1,005
1,004
1,002
1,002
1,001
1,00

90
1,00











Приложение 3



Рис.1. . Радиационный баланс земной поверхности за год (МДж/м 2*год)


Рис 2 Радиационный баланс земной поверхности за декабрь (в 102 МДж/м2*мес.)


Рис.3.Радиацонный баланс земной поверхности за июль (в 102 МДж/м2 *мес.)






Рис.4. Годовое количество суммарной солнечной радиации (МДж/м2 *год)



Рис.5. Суммарная радиация, декабрь (в 102 МДж/м2 *мес.)

Рис.6. Суммарная солнечная радиация, июнь (в 102 МДж/м2 *мес.)
















13PAGE 15


13PAGE 14315





Приложенные файлы

  • doc 324675
    Размер файла: 626 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий