Влияние закрытости горизонта на радиационный баланс пересеченной местности
|
Введение 3
Глава 1. Обзор работ по теме «Влияние закрытости горизонта на радиационный баланс пересеченной местности» 6
Глава 2. Радиационный баланс пересеченной местности 10
2.1 Определение функции закрытости 10
2.2 Влияние функции закрытости на радиационный баланс 12
Глава 3. Метод расчета радиационного баланса пересеченной местности 14
3.1 Расчет характеристик склона 14
3.2 Расчет значений функции закрытости 15
3.2.1 Определение точек горизонта для отдельного профиля 15
3.2.2 Определение горизонта для всех точек области 17
3.3 Расчет составляющих радиационного баланса 20
3.4 Генерация моделей рельефа 25
Глава 4. Результаты 29
4.1 Верификация алгоритма расчета значений функции закрытости 30
4.2 Расчет значений составляющих радиационного баланса. 36
4.2.1 Зависимость радиационных потоков от значения функции закрытости на моделях регулярного рельефа. 36
4.2.2 Выявление зависимости радиационных потоков от значения функции закрытости на моделях случайного рельефа. 39
4.2.3 Сравнение роли закрытости и затенения в формировании радиационного баланса территории (на моделях регулярного и случайного рельефа). 48
Глава 5. Выводы 57
Заключение 59
Литература 60
Приложение 1. Блок-схема программы расчета радиационного баланса 62
Глава 1. Обзор работ по теме «Влияние закрытости горизонта на радиационный баланс пересеченной местности» 6
Глава 2. Радиационный баланс пересеченной местности 10
2.1 Определение функции закрытости 10
2.2 Влияние функции закрытости на радиационный баланс 12
Глава 3. Метод расчета радиационного баланса пересеченной местности 14
3.1 Расчет характеристик склона 14
3.2 Расчет значений функции закрытости 15
3.2.1 Определение точек горизонта для отдельного профиля 15
3.2.2 Определение горизонта для всех точек области 17
3.3 Расчет составляющих радиационного баланса 20
3.4 Генерация моделей рельефа 25
Глава 4. Результаты 29
4.1 Верификация алгоритма расчета значений функции закрытости 30
4.2 Расчет значений составляющих радиационного баланса. 36
4.2.1 Зависимость радиационных потоков от значения функции закрытости на моделях регулярного рельефа. 36
4.2.2 Выявление зависимости радиационных потоков от значения функции закрытости на моделях случайного рельефа. 39
4.2.3 Сравнение роли закрытости и затенения в формировании радиационного баланса территории (на моделях регулярного и случайного рельефа). 48
Глава 5. Выводы 57
Заключение 59
Литература 60
Приложение 1. Блок-схема программы расчета радиационного баланса 62
Одной из важнейших составляющих микроклимата является радиационный баланс. Его измерение или расчет требует оценок прямой и рассеянной солнечной радиации, а также эффективного длинноволнового излучения, состоящего из излучения земной поверхности и противоизлучения атмосферы. При этом необходимо учитывать, что на микромасштабном уровне одним из основных факторов, определяющих значения данных характеристик, является рельеф местности, который способен значительно перераспределять потоки коротковолновой и длинноволновой радиации, создавая затенение, закрытость горизонта, а также вторичное отражение от склонов. На равнинной местности влиянием окружающей топографии на составляющие радиационного баланса в интересующей точке можно пренебречь, но с возрастанием расчлененности рельефа становится необходимым вводить различные поправки при расчетах потоков излучения на конкретной территории.
Методика и некоторые результаты расчета влияния затенения на поток прямой солнечной радиации, поступающей в заданную точку, рассматривались ранее, например, в работе (Русин И.Н., Пикалева А.А., 2012). Расчет потоков солнечной радиации и эффективного излучения на одиночный склон также рассматривались многими авторами (например, Кондратьев К.Я., Подольская Э.Л., 1953).
Настоящая работа посвящена оценке влияния закрытости горизонта на радиационный баланс пересеченной местности.
В общем случае потоки рассеянной коротковолновой радиации и эффективного излучения рассматриваются как приходящие ото всей небесной полусферы. Однако, например, расположенная рядом с изучаемой точкой гора будет закрывать часть полусферы, тем самым уменьшая радиационные потоки.
Учитывать влияние закрытости горизонта важно для оценки радиационного баланса не только горных районов, но и городов. Большое количество построек резко меняют естественные условия распределения радиационных потоков, в результате чего создаются местные особенности радиационного баланса и изменение скоростей ночного выхолаживания, когда длинноволновая радиация, вместо того, чтобы испускаться в атмосферу, попадает в ловушку между теплыми поверхностями. Такое уменьшение длинноволновой радиации непосредственно зависит от закрытости горизонта и считается главным фактором формирования городского острова тепла (OkeT.R., 1987).
Количественной мерой закрытости горизонта принято считать функцию закрытости горизонта. Эта функция показывает долю небесной полусферы, которая наблюдается из определенной точки местности с учетом окружающей топографии. Кроме того, ее определяют, как отношение радиации, полученной (или излученной) горизонтальной поверхностью от неба, к радиации, излученной (или полученной) всей небесной полусферой (WatsonI.D., JohnsonG.T., 1987).
Функция закрытости горизонта широко используется климатологами для исследования зависимости между интенсивностью городского острова тепла и геометрией городского пространства (T. R. Oke, 1981;BarringL. и др. 1985;UngerJ., 2009).
В городских условиях исследование функции закрытости горизонта упрощается наличием подробных планов улиц, довольно простой геометрией зданий и значительно большими, чем в горах, возможностями прямых измерений. В городах для оценки функции закрытости все более широко применяется метод специальной фотографии (HolmerB., 1992).
Существуют работы, в которых функция закрытости горизонта рассматривается, как один из важных климатообразующих факторов в лесных массивах, где влияние геометрических характеристик пространства также оказывается велико (HolmerB. и др., 2001).
Актуальность решения задач микроклиматологии, в том числе и вопросов, касающихся радиационного баланса, определяется необходимостью детализации пространственного разрешения результатов численного моделирования атмосферных процессов для того, чтобы учитывать конкретные ландшафтные особенности местонахождения потребителей. При этом учет функции закрытости в расчетах радиационного баланса, и ее оценка по данным о рельефе местности является мало изученной и очень трудоемкой задачей.
Таким образом, функция закрытости горизонта играет ключевую роль в изучении микроклимата горных районов, городов, лесов и др., т.е. районов со сложной геометрией.
Наибольший вклад закрытость части небесной полусферы вносит в уменьшение продолжительности солнечного сияния (затенение), интенсивности рассеянной радиации и в изменение эффективного излучения.
Цель данной работы состоит в том, чтобы выявить закономерности влияния функции закрытости на радиационный баланс пересеченной местности.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) разработать модели различных типов пересеченной местности;
2) произвести расчет значений функции закрытости для разработанных моделей;
3) произвести расчет значений радиационного баланса с учетом функции закрытости;
4) сравнить радиационный баланс по площади пересеченной и равнинной местности;
5) сравнить влияние затенения и функции закрытости горизонта на значения радиационного баланса;
6) исследовать зависимость составляющих радиационного баланса от характеристик рельефа (закрытости, угла наклона).
Методика и некоторые результаты расчета влияния затенения на поток прямой солнечной радиации, поступающей в заданную точку, рассматривались ранее, например, в работе (Русин И.Н., Пикалева А.А., 2012). Расчет потоков солнечной радиации и эффективного излучения на одиночный склон также рассматривались многими авторами (например, Кондратьев К.Я., Подольская Э.Л., 1953).
Настоящая работа посвящена оценке влияния закрытости горизонта на радиационный баланс пересеченной местности.
В общем случае потоки рассеянной коротковолновой радиации и эффективного излучения рассматриваются как приходящие ото всей небесной полусферы. Однако, например, расположенная рядом с изучаемой точкой гора будет закрывать часть полусферы, тем самым уменьшая радиационные потоки.
Учитывать влияние закрытости горизонта важно для оценки радиационного баланса не только горных районов, но и городов. Большое количество построек резко меняют естественные условия распределения радиационных потоков, в результате чего создаются местные особенности радиационного баланса и изменение скоростей ночного выхолаживания, когда длинноволновая радиация, вместо того, чтобы испускаться в атмосферу, попадает в ловушку между теплыми поверхностями. Такое уменьшение длинноволновой радиации непосредственно зависит от закрытости горизонта и считается главным фактором формирования городского острова тепла (OkeT.R., 1987).
Количественной мерой закрытости горизонта принято считать функцию закрытости горизонта. Эта функция показывает долю небесной полусферы, которая наблюдается из определенной точки местности с учетом окружающей топографии. Кроме того, ее определяют, как отношение радиации, полученной (или излученной) горизонтальной поверхностью от неба, к радиации, излученной (или полученной) всей небесной полусферой (WatsonI.D., JohnsonG.T., 1987).
Функция закрытости горизонта широко используется климатологами для исследования зависимости между интенсивностью городского острова тепла и геометрией городского пространства (T. R. Oke, 1981;BarringL. и др. 1985;UngerJ., 2009).
В городских условиях исследование функции закрытости горизонта упрощается наличием подробных планов улиц, довольно простой геометрией зданий и значительно большими, чем в горах, возможностями прямых измерений. В городах для оценки функции закрытости все более широко применяется метод специальной фотографии (HolmerB., 1992).
Существуют работы, в которых функция закрытости горизонта рассматривается, как один из важных климатообразующих факторов в лесных массивах, где влияние геометрических характеристик пространства также оказывается велико (HolmerB. и др., 2001).
Актуальность решения задач микроклиматологии, в том числе и вопросов, касающихся радиационного баланса, определяется необходимостью детализации пространственного разрешения результатов численного моделирования атмосферных процессов для того, чтобы учитывать конкретные ландшафтные особенности местонахождения потребителей. При этом учет функции закрытости в расчетах радиационного баланса, и ее оценка по данным о рельефе местности является мало изученной и очень трудоемкой задачей.
Таким образом, функция закрытости горизонта играет ключевую роль в изучении микроклимата горных районов, городов, лесов и др., т.е. районов со сложной геометрией.
Наибольший вклад закрытость части небесной полусферы вносит в уменьшение продолжительности солнечного сияния (затенение), интенсивности рассеянной радиации и в изменение эффективного излучения.
Цель данной работы состоит в том, чтобы выявить закономерности влияния функции закрытости на радиационный баланс пересеченной местности.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) разработать модели различных типов пересеченной местности;
2) произвести расчет значений функции закрытости для разработанных моделей;
3) произвести расчет значений радиационного баланса с учетом функции закрытости;
4) сравнить радиационный баланс по площади пересеченной и равнинной местности;
5) сравнить влияние затенения и функции закрытости горизонта на значения радиационного баланса;
6) исследовать зависимость составляющих радиационного баланса от характеристик рельефа (закрытости, угла наклона).
В данной работе представлено исследование влияние функции закрытости на радиационный баланс пересеченной местности. В процессе его выполнения был осуществлен ряд экспериментов по расчету составляющих радиационного баланса. Все расчеты производились на основе начальных метеорологических данных и цифровой модели рельефа местности. Для исследования были созданы различные модели пересеченной местности: гладкие регулярные формы с переменными параметрами и формы с шероховатостью различного масштаба, что позволило рассмотреть функцию закрытости и как детерминированную, и как случайную величину.
На основе полученных результатов (глава 4) были сделаны важные и интересные выводы, представленные в главе 5, которые позволяют сказать, что функция закрытости является важным фактором формирования радиационного баланса пересеченной местности. Полученные, практически линейные, зависимости его составляющих от средней по территории закрытости помогут в дальнейшем упростить расчет по средствам введения поправочных множителей на рельеф местности. Кроме того, результатом исследования стала оценка функции распределения закрытости рельефа, представленного случайной шероховатостью. Ее аппроксимация beta распределением поможет восстановить значения функции закрытости по территории.
На основе полученных результатов (глава 4) были сделаны важные и интересные выводы, представленные в главе 5, которые позволяют сказать, что функция закрытости является важным фактором формирования радиационного баланса пересеченной местности. Полученные, практически линейные, зависимости его составляющих от средней по территории закрытости помогут в дальнейшем упростить расчет по средствам введения поправочных множителей на рельеф местности. Кроме того, результатом исследования стала оценка функции распределения закрытости рельефа, представленного случайной шероховатостью. Ее аппроксимация beta распределением поможет восстановить значения функции закрытости по территории.