Глобальное распределение составляющих радиационного баланса земли по данным исз россии и США

По таблицам среднемесячных зональных величин альбедо строились графики широтного распределения среднемесячных величин альбедо за соответствующий месяц. На рисунке 7 в качестве примера приведены график за 1986 г. За все остальные годы распределения похожи на приведенные и отличаются в незначительных деталях.

С увеличением широты в обоих полушариях альбедо растут, причем рост альбедо отражает сезонные особенности и соответствует увеличению зенитного угла Солнца. В тропических широтах (грубо от -25º до +25º) в любой сезон величины альбедо минимальны, имеют небольшой разброс и группируются около 0,20 для ИСЗ Nimbus-6 и около 0,25 для ИСЗ Nimbus-7. Это указывает на незначительные изменения количества облачности в среднемесячных значениях в экваториальной зоне. На всех графиках отчетливо прослеживается небольшой максимум альбедо в зоне +5º…+20º в июне и сентябре, минимум в марте и частично в декабре. Аналогично наблюдается вторичный максимум в зоне -5º…-15º в декабре-марте месяцах.

Такие изменения обычно связывают с облачностью внутритропической зоны конвергенции (ВЗК). Во все годы и сезоны величины альбедо над Антарктидой (-75º…-90º) выше, чем соответствующие величины в северных полярных широтах. В северном полушарии (СП) величины альбедо в зимне-весенний период (декабрь-март) и летне-осенний (июнь-сентябрь) различаются значительно больше, чем соответствующие по сезону величины в южном полушарии.

Очевидно, что это следствие различия в характере поверхности (материки и океаны). Наступление и сход снежного покрова в СП вносят большой вклад в эту разницу. Абсолютно наибольшие величины зонального альбедо отмечены на широтах 80º и 85º южного полушария (ЮП), где они составляют 0,87 и 0,89, что существенно выше величин альбедо, принятых в моделях США.


Рисунок 6. Широтное распределение среднемесячных значений альбедо в 1986 г. ИСЗ «Nimbus-7»

Далее в главе приводится методика получения глобального альбедо. Известно, что глобальное альбедо играет важную климатообразующую роль, так как эта величина определяет приходную часть радиационного баланса Земли. Для лучистого обмена Земли с космосом оцениваются потоки на верхней границе атмосферы (ВГА).

Принято считать, что в среднем за год Земля находится в состоянии лучистого равновесия, то есть глобальный радиационный баланс на ВГА за год равен нулю. Для проверки этого положения необходимо знать глобальную среднегодовую поглощенную радиацию, а для ее расчетов требуется знание глобальных среднегодовых величин альбедо. По данным о зональных среднемесячных величинах альбедо можно получить глобальные величины, а также рассчитать среднемесячные и среднегодовые значения для северного и южного полушарий. Предложен следующий метод решения такой задачи.

для глобального альбедо, (10)

для северного полушария, аналогично для южного, при θ_i от 90 до 175.

Величины _i являются весовыми коэффициентами для расчетов альбедо и находятся по формуле:

где θ_i – отсчитывается от северного полюса Земли, при этом θ_i – кратно 5°, т.е. θ_i = 0°; 5°; 10°…85° для северного полушария и 0°; 5°; 10°…175° для Земли в целом. Зональные значения α_i выбираются из среднемесячных величин альбедо соответствующих широтных зон таблиц атласов.

Анализ полученных данных показывает следующее.

1. Глобальное альбедо имеет практически правильный полугодовой ход: минимальное значение в январе, максимальное в марте, снова минимум в июне, затем подъем до сентября – октября и минимум в декабре.

По полушариям картина иная. Почти точный полугодовой ход в южном полушарии и значительная асимметрия в северном полушарии. Такое распределение глобального альбедо объясняется значительной разницей в характере подстилающей поверхности СП и ЮП. Преимущественно материковая поверхность в СП и преимущественно открытый океан в ЮП. Например, после быстрого роста альбедо с августа по ноябрь в СП, к марту альбедо достигает максимума. Затем таяние, сход снежного покрова, быстрое уменьшение альбедо, которое носит затяжной характер в СП до августа включительно.

2. Нельзя не заметить значительной разницы в величинах глобального альбедо между данными от ИСЗ «Нимбус-6» и «Нимбус-7». Среднегодовые величины глобальных альбедо между этими спутниками отличаются практически точно на 5 единиц альбедо: 0,281 для «Нимбус-6» и 0,330 для «Нимбус-7», хотя среднегодовые величины для каждого спутника очень близки. Разница в глобальных величинах α_ГЛ = 0,05 существенно превышает погрешности определения глобальных альбедо. Наш анализ показывает, что считать этот сводный ряд однородным невозможно, имеется систематическая разница в данных.

Поглощенная солнечная радиация является приходной частью РБЗ. Выше мы уже обсуждали методику получения среднесуточных величин поглощенной радиации (см. формулы 7-9).

Для получения среднемесячных значений поглощенной радиации в формулу (7) нужно подставить среднемесячные значения приходящей радиации на ВГА и альбедо. В работе была рассчитана приходящая солнечная радиация двумя методами: 1) по формуле Миланковича, для верхней и нижней параллелей (границ зон), и взято их среднее; 2) по формуле Миланковича со средним значением широты данной зоны. Приходящая радиация, рассчитанная по широтам границ зон, отличается от величин приходящей радиации, рассчитанной по средним значениям широты, не более чем на 0,1%. Поэтому в дальнейших расчетах используются данные, рассчитанные по средним значениям широты.

Для оценки вариаций глобальных величин поглощенной солнечной радиации, а также ее полушарных значений можно применить аналогичную методику, как и в случае с расчетами глобальных и полушарных величин альбедо. Используя те же значения среднемесячных величин зональных альбедо, можно записать следующие очевидные соотношения:

для глобального значения,

для северного полушария, и аналогично, для южного.

Здесь обозначения те же, что и в (10), а E_i – зональные величины приходящей радиации.

Глобальное значение поглощенной радиации в течение года меняется не очень сильно. Имеется два небольших максимума в марте и сентябре, и минимум в июне-июле. На глобальное распределение поглощенной радиации большое влияние оказывают полушарные распределения. В северном полушарии минимум значений приходится на зимние месяцы (декабрь-январь), а максимум на летние (июнь-июль). В южном полушарии также минимум значений приходится на зимние месяцы, а максимум на летние. Причем в южном полушарии значение максимума больше чем в северном полушарии, а минимума меньше.Атласы УДР содержат данные за 1979 – 1984 гг. и 1985 -1987 гг. Анализ среднеглобальных среднемесячных значений УДР выявил, что в холодное полугодие наблюдаются минимальные среднеглобальные значения УДР около 232 Вт/м². Максимальные величины около 238 Вт/м² наблюдаются в июне – августе. Это можно объяснить преобладанием материков в северном полушарии, более нагретых летом и преобладанием океанов в южном полушарии.

Одной из задач настоящего исследования было оценить вклад в УДР каждого из полушарий в отдельности. Эту задачу можно решить, используя имеющиеся в атласах данные о среднемесячных глобальных величинах УДР (L_ср) и о разности среднемесячных полушарных значений (L_N-L_S =L). Мы применили следующую методику.

По этим формулам рассчитывались значения УДР для северного и южного полушарий.

Анализ данных показал, что амплитуда изменений УДР в СП достигает 16-17 Вт/м², а в южном около 6 Вт/м². Очевидно, это следствие различия в поверхностях полушарий. На материках СП большую роль играет наступление и сход снежного покрова. Поверхность суши быстрее и сильнее прогревается, чем океан. Максимум УДР в СП приходится не на июнь, а на июль-август месяцы. Этот сдвиг почти в точности отражает уменьшение глобального альбедо СП, которое продолжается до августа месяца. А это приводит к росту поглощенной радиации и, соответственно, к росту УДР. Также прослеживается снижение в СП уровня УДР с 247 Вт/м² в 1979 г. до 242 и менее Вт/м² в 1986-87 гг. При этом в ЮП уровень УДР практически остается одинаковым. В обоих полушариях проявилось крупное изменение УДР в октябре 1983 г. Это свидетельствует о том, что масштабы явления Эль-Ниньо 1983-84 гг. таковы, что затронули оба полушария синхронно.

После завершения всех изложенных выше исследований можно оценить выполнение условия равенства нулю среднеглобального среднегодового радиационного баланса Земли на ВГА. К сожалению, выбор данных весьма ограничен. Есть всего два года где имеются парные данные: 1986 и 1987. Однако в 1986 г. нет данных за май месяц, а в 1987 г. за 2 месяца, ноябрь и декабрь. Но за 2 предыдущих года показания за эти месяцы были одинаковы с разницей менее 0,1%, и мы их использовали в 1987 г. С такими замечаниями результаты выглядят следующим образом.

Среднегодовое значение поглощенной радиации с формулой Миланковича получается больше, чем методом радиационного воздействия почти точно на 7 Вт/м². В 1987 г. УДР по данным атласа в среднем за год составляет 232,48 Вт/м², а рассчитанное значение методом «свертки» поглощенной радиации 236,2 Вт/м². Разница всего 1,6%. С правдоподобными коррекциями в 1986 г. величина разницы тоже близка к этому. Можно считать, что для ИСЗ «Nimbus-7» РБЗ за эти годы близок к нулю.

А для ИСЗ «Nimbus-6» картина иная. При любой возможной экстраполяции данных на 1975-77 годы УДР оказывалась меньше поглощенной радиации на 6-8 процентов. По-видимому, это следствие отмеченного ранее различия в альбедо.

Отсчеты производились ежеминутно. Всего за рабочий период получено 86034 отдельных измерения УКР (соответственно альбедо). В данном эксперименте в большинстве месяцев обеспечивалось глобальное покрытие наблюдениями земной поверхности. А это главное условие возможности построения карт.

Была произведена обработка всех данных. Преследовались две цели: отработать создаваемые программы счета на данном материале и сравнить полученные результаты с аналогичными результатами обработки атласов США. В результате обработки первичных материалов измерений радиометром ИКОР создана база данных (БД) мгновенных значений УКР и альбедо и дополнительной орбитальной информации. Получение мгновенных величин УКР и альбедо велось отработанным методом «фактора формы».

Для обработки результатов была создана программа визуализации «ИКОР-М», которая позволяет визуально просматривать информацию, полученную со спутника: выводить на экран данные об УКР, альбедо в течение дневной части витка, а также выводить дополнительную информацию; производить построение графиков временного распределения следующих величин: текущие отсчеты аппаратуры ИКОР, величины УКР и альбедо для каждого отсчета, широты и долготы подспутниковой точки; производить построение графиков широтного распределения мгновенных величин УКР, альбедо и поглощенной радиации системы Земля-атмосфера за текущий виток; строить карты распределения УКР, альбедо, как по мгновенным, так и по среднесуточным значениям, карты распределения поглощенной радиации в цветном и черно-белом вариантах; рассчитывать и выводить на экран данные о зональных среднемесячных величинах УКР, мгновенного и среднесуточного альбедо, а также поглощенной радиации.

Для построения карт глобальных распределений всех полученных величин был использован образец карты в цилиндрической проекции. Месячное осреднение как и ранее проводилось по системе ячеек равной площади 55. Таким образом, весь земной шар покрывается сеткой, состоящей из 1654 ячеек. Для каждой широтной зоны можно рассчитать координаты ячеек. Для каждой ячейки с известными координатами производится выборка значений из базы данных, содержащей измерения с ИСЗ «Ресурс-01»№4. Зная координаты ячеек, легко определить тип базовой подстилающей поверхности (без облачности). Учет влияния облачности производился по методике (см. главу 1).

Получаемые из измерений мгновенные средние по ПЗ величины УКР и альбедо находят применение при построении широтных мгновенных распределений вдоль витка, при слежении за развитием различных образований и решении других задач. Однако для климатических исследований первичный интерес представляют суточные средние УКР и альбедо. А современные атласы публикуются, как правило, с использованием среднемесячных величин, получаемых из среднесуточных. Кроме того, эти же величины используются при расчетах суточных и среднемесячных значений поглощенной радиации, как одного из основных компонентов радиационного баланса Земли (РБЗ).

По рассчитанным среднесуточным значениям альбедо были получены среднемесячные их значения, осредненные по ячейкам упоминавшейся глобальной сетки. Построены карты среднемесячных значений по мгновенным и среднесуточным величинам альбедо за весь период наблюдений ИСЗ «Ресурс-01» №4. Пример карты приведен на рисунке 7.


Рисунок 7 Карта распределений альбедо по среднесуточным значениям за декабрь 1998г. с ИСЗ «Ресурс-01» №4.
Наличие в ряде месяцев за 1998-99 гг. глобального покрытия наблюдениями в течение нескольких суток (от 3 до 8) позволило решить задачу построения карт изолиний. Была разработана и применена методика построения карт изолиний альбедо. Наилучшие совпадения отмечены для рядов разложения, включая гармоники степени и порядка 13.

Карты распределений альбедо и изолиний позволяют оценивать внутригодовую изменчивость альбедо в любых регионах. При достаточно длинных рядах наблюдений карты обеспечат возможность следить за межгодовой изменчивостью альбедо для каждого месяца, сезона, региона, оценивать возможные тренды, отклонения от среднего за рассматриваемый период наблюдений. Карты распределений альбедо позволяют также отслеживать такие события, как Эль-Ниньо – Южное колебание, Ла-Ниньо, другие крупномасштабные явления.

По полученным результатам расчетов поглощенной солнечной радиации также были построены соответствующие карты распределения. Пример карты приведен на рисунке 8.


Рисунок 8. Карта распределения поглощенной радиации за декабрь 1998 г. по данным ИСЗ «Ресурс-01» №4
Рассчитаны среднемесячные зональные величины для пятиградусных широтных зон, которые позволяют оценивать среднеглобальные среднемесячные значения альбедо, сравнивать данные с материалами опубликованных атласов.

Были построены графики широтного распределения альбедо. Анализ показал, что в тропической зоне (широты от -25º до +25º) в любой сезон величины альбедо имеют минимальные значения, и группируются около 0,25 - 0,30. Исключение составляет февраль 1999 г. В данном месяце значения альбедо отмечались в пределах 0,25. Возможно, это связано с наблюдавшимся в этот период явлением Ла-Ниньо. При приближении к полюсам в обоих полушариях альбедо растет, причем рост альбедо отражает сезонные особенности и соответствует увеличению зенитного угла Солнца.

Пользуясь разработанным методом «свертки» можно по среднемесячным зональным величинам получить глобальные и полушарные. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 Глобальное распределение альбедо

Год/месяц	1998			1999
	август	ноябрь	декабрь	январь	февраль	март	апрель
СП	0,331	0,319	0,321	0,330	0,305	0,348	0,362
ЮП	0,317	0,344	0,342	0,327	0,304	0,358	0,348
Глоб.	0,324	0,331	0,332	0,328	0,305	0,353	0,355

Аналогично были получены данные о поглощенной радиации. Результаты представлены в таблице 2.

1. Разработан метод и проведены расчеты получения среднесуточных и среднемесячных величин альбедо. Детально рассмотрена задача получения среднесуточных величин альбедо в приполярных широтах. Разработан алгоритм, составлены: «Программа расчетов среднесуточных альбедо Альбедометр» и «Программа анализа данных спутникового измерителя ИКОР-М», зарегистрированные установленным порядком.

2. Проведена детальная оценка условий наблюдений земной поверхности радиометром ИКОР с орбиты гелиосинхронного ИСЗ «Ресурс-01» №4 и для надирных радиометров с различных ИСЗ. Для оценки условий наблюдаемости земной поверхности была создана программа расчетов. Разработанный нами метод дает возможность рассчитать условия наблюдаемости земной поверхности для подспутниковой точки (центра ПЗ) радиометра при любой ориентации орбиты, относительно меридиана Солнца. В диссертации приведены примеры оценок для всех основных возможных положений орбиты: спутник с восходящим узлом на освещенной стороне Земли, ИСЗ полуденный, ИСЗ послеполуденный, ИСЗ утренний или вечерний.

3. Выполнен детальный анализ атласов NASA США. Отметим основные особенности в широтном распределении альбедо:

С увеличением широты в обоих полушариях альбедо растут, что в значительной степени определяется увеличением зенитных углов Солнца с ростом широты, большим вкладом облачности в средних и высоких широтах и наличием снежного (ледяного) покрова в высоких широтах вблизи полюсов. В обоих полушариях кривые роста альбедо отражают также и сезонные особенности, связанные с условиями облучения земной поверхности солнечной радиацией. Во все годы и сезоны величины альбедо над Антарктидой (-75º…-90º) выше, чем соответствующие величины в северных полярных широтах. В северном полушарии (СП) величины альбедо в зимне-весенний период (декабрь-март) и летне-осенний (июнь-сентябрь) различаются значительно больше, чем соответствующие по сезону величины в южном полушарии. В тропических широтах (от -25º до +25º) в любой сезон величины альбедо минимальны, имеют небольшой разброс и группируются около 0,20 для ИСЗ Nimbus-6 и около 0,25 для ИСЗ Nimbus-7. Это указывает на незначительные изменения количества облачности в среднемесячных значениях в экваториальной зоне.

4. Разработана методика и получены среднемесячные и среднегодовые глобальные величины альбедо и поглощенной радиации по зональным данным атласов. Результаты анализа показали, что глобальное альбедо имеет практически правильный полугодовой ход: минимальное значение в декабре-январе, максимальное в марте, снова минимум в июне, затем подъем до сентября– октября и минимум в декабре. По полушариям картина иная. Почти точный полугодовой ход в южном полушарии с достаточно хорошей привязкой к ключевым датам – равноденствиям и солнцестояниям и значительная асимметрия в северном полушарии. Так, фаза уменьшения глобального альбедо в СП длится 6 месяцев (март - август). Такое распределение глобального альбедо объясняется значительной разницей в характере подстилающей поверхности СП и ЮП.

5. Глобальное значение поглощенной радиации в течение года меняется не очень сильно. Имеется два небольших максимума в марте и сентябре, и минимум в июне-июле. На глобальное распределение поглощенной радиации большое влияние оказывают полушарные распределения. Причем в южном полушарии значение максимума больше чем в северном полушарии, а минимума меньше.

6. Проведено сравнение полученных результатов расчетов поглощенной радиации, с использованием формулы Миланковича и методом радиационного воздействия. Отметим, что среднегодовое значение поглощенной радиации методом «свертки» (с формулой Миланковича) получается больше, чем методом радиационного воздействия. Разница составляет около 7 Вт/м². Устойчивость этого значения для разных лет и различной спутниковой аппаратуры позволяет считать, что эта разница 7 Вт/м² и есть та поправка к приближенному методу «радиационного воздействия», используемому для оценок поглощенной радиации. Отметим, что значения поглощенной радиации, полученные методом «свертки», более близки к глобальным значениям УДР из атласов.

7. Были рассчитаны значения УДР для северного и южного полушарий. По полученным значениям УДР можно сделать ряд заключений:

Амплитуда изменений УДР в СП значительно больше, чем ЮП. В северном она достигает 16-17 Вт/м², а в южном около 6 Вт/м². Очевидно, это следствие различия в поверхностях полушарий. Отчетливо видно, что максимум УДР в СП приходится не на июнь, а на июль-август месяцы. Этот сдвиг почти в точности отражает поведение глобального альбедо СП. Прослеживается снижение в СП уровня УДР с 247 Вт/м² в 1979 г. до 242 и менее Вт/м² в 1986-87 гг. При этом в ЮП уровень УДР практически остается одинаковым. В обоих полушариях проявилось крупное изменение УДР в октябре 1983г. Это свидетельствует о том, что масштабы явления Эль-Ниньо 1983-84 гг. таковы, что затронули оба полушария синхронно.

1. 
   Ю.А.Скляров, Ю.И.Бричков, А.И.Котума, Н.В.Фомина. Метод получения среднесуточных значений альбедо с использованием спутниковых направленных моделей // Материалы Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН 2003. С. 60
   
2. 
   Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В., Котума А.И., Семенова Н.В. Определение среднесуточных величин альбедо с использованием спутниковых направленных моделей. // Исследование Земли из космоса. 2005. №3. С. 13-21.
   
3. 
   Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В., Котума А.И., Семенова Н.В. Оценка наблюдаемости земной поверхности для надирных радиометорв с различных ИСЗ // Исследование Земли из космоса. 2006. №2. С. 1-8.
   
4. 
   Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В., Котума А.И., Семенова Н.В.Определение поглощенной солнечной радиации на верхней границе атмосферы по спутниковым измерениям. // Тезисы докладов Третьей открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования 3емли из космоса» М., ИКИ РАН. 2005. С.37.
   
5. 
   Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В., Котума А.И., Семенова Н.В. О наблюдаемости поверхности Земли с гелиосинхронных ИСЗ радиометрами, ориентированными в надир. // Тезисы докладов на Четвертой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования 3емли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2006. С.43.
   
6. 
   Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В., Семенова Н.В., Кудряшов Д.А. О согласованности величин глобального альбедо по данным атласов наблюдений с ИСЗ «Нимбус-6» и «Нимбус-7». // Тезисы докладов на Четвертой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования 3емли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2006. С.44.
   
7. 
   Скляров Ю.А., Бричков Ю.И., Фомина Н.В., Семенова Н.В.О разрешающей способности среднеугольных радиометров. // Тезисы докладов на Пятой Юбилейной Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования 3емли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2007. С.111.
   
8. 
   Скляров Ю.А., Фомина Н.В., Котума А.И., Семенова Н.В. Альбедо, поглощенная солнечная радиация и уходящая длинноволновая радиация по материалам атласов NASA США // Известия Саратовского университета. Серия Науки о Земле. 2009. Вып. 1. Т. 9. С. 44-55.
   
9. 
   Скляров Ю.А., Фомина Н.В., Котума А.И., Семенова Н.В. Об особенностях определения среднесуточных величин альбедо в высоких широтах // Известия Саратовского университета. Серия Науки о Земле. 2009. Вып. 1. Т. 9. С. 56-60.
   
10. 
    Скляров Ю.А., Фомина Н.В. Составляющие радиационного баланса Земли по материалам атласов NASA США // Труды Всероссийской научной конференции с международным участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» Казань: Изд-во «Отечество». 2009. Т. 2. С. 200-204.
    
11. 
    Скляров Ю.А., Фомина Н.В. К вопросу об оценке среднесуточных величин альбедо в высоких широтах // Труды Всероссийской научной конференции с международным участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» Казань: Изд-во «Отечество». 2009. Т. 2. С. 195-199.
    
12. 
    Котума А.И., Скляров Ю.А., Фомина Н.В. Программа анализа данных спутникового измерителя ИКОР-М. Свидетельство № 2009612383 от 12 мая 2009 г.
    
13. 
    Котума А.И., Скляров Ю.А., Фомина Н.В. Программа расчета среднесуточного альбедо АЛЬБЕДОМЕТР. Свидетельство № 2009612384 от 12 мая 2009 г.