Дипломная работа: Особенности притока солнечной радиации на станциях алматы и астана

Содержание

Введение 4
1. Анализ источников посвященных изучению солнечной радиации 5
2. Физико-географическое описание станции
2.1 Станция Аральское море
2.2 Станция Балхаш
3. Притока прмой солнечной радиации на юге Казахстана
3.1 Суточный ход прмой солнечной радиации на станции Аральское море и Балхаша
3.2 Расчет сумм радиации
3.3 Вычисления коэффициента прозрачности
3.4 Основные статистические характеристии прмой солнечной радиации
4. Синоптические условия определяющие минимальный и максемальный приток радтации
Выводы
Список использованных источников
1 АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОСВЯЩЕННЫХ ИЗУЧЕНИЮ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ


Солнечная радиация является энергетической базой почти всех природных ресурсов, развивающихся на земной поверхности, в атмосфере, гидросфере, поэтому представляет собой один из основных климатообразующих факторов.
Для усовершенствования климатологических характеристик местности в целях удовлетворения запросов гелиотехники Б.П. Вейнберг и Р.Э Соловейчик предложили учитывать суточный ход прямой и диффузной радиации, а также некоторых других метеорологических элементов /2/, при этом ее рассматривали не в среднем за многолетний период, а раздельно для характерных синоптических ситуаций. Все дни были ими подразделены на три градации: ясные, пасмурные, средние (полуясные). Авторы рассчитали повторяемость этих ситуаций для каждого месяца, затем для выбранных градаций вычислили осредненное отклонение значений прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную и горизонтальную поверхность, от среднего многолетнего. Методика отрабатывалась на материале наблюдений в Ташкенте за 1928-1929 гг. Полученные результаты подтвердили целесообразность такого подхода при анализе особенностей суточного хода составляющих солнечной радиации.
Существенный шаг вперед в деле совершенствования методики составления солнечного кадастра сделал Б.В. Тарнижевский. На основании проведенного статистического анализа он показал, что месячные и годовые суммы радиации достаточно хорошо подчиняются нормальному закону распределения /3/.
Б.В Тарнижевский исследовал связь между показателями работы солнечных установок и метеорологическими факторами, определяющими эти показатели /4-5/. Он учитывал, что гелиоустановка может использовать радиацию, поступающую непрерывно в течение некоторого времени, длительность которого может обеспечить разогрев установки до рабочей температуры и определенную отдачу. Это минимально приемлемое время для отдельных установок неодинаково из-за различной тепловой инерции. Так, как время разогрева до рабочих температур у солнечных водонагревателей составляет около 1,5 часа, у опреснителей парникового типа примерно 1-2 часа, инерция паровых котлов с параболоцилиндрическими отражателями составляет 1час, у паровых котлов с параболоидными отражателями 15-20 мин, фотоэлектрические батареи являются безынерционными.
Для определения количества часов работы солнечных установок Б.В Тарнижевский по данным ежегодной регистрации гелиографов установил периоды непрерывного солнечного сияния различной продолжительности, от двух часов до максимально возможной длительности за отдельные месяцы и год. Вся обработка проводилась по десятилетним наблюдениям на восьми южных пунктах, расположенных между 35- 47 градусами северной широты. Время – час после восхода и час до захода солнца – исключались из-за малой плотности потока радиации. Полученные результаты были представлены в виде кривых обеспеченности периодов непрерывного солнечного сияния различной продолжительности. Зная тепловую инерцию конкретной гелиоустановки, а значит и минимально приемлемую длительность непрерывного облучения для каждого из рассматриваемых пунктов, можно определить количество часов ее работы за месяц или год.
Были построены графики осредненного для каждого месяца суточного хода прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность. После исключения низких значений плотности потока радиации, наблюдающихся сразу после восхода и пред заходом солнца, рассчитывалось среднее значение плотности потока радиации за день (расчетная радиации). Количество энергии, используемой гелиоустановкой, получалось умножением расчетной радиации на количество часов работы установки
В статье /6/ З.И. Пивоваровой изучено временное распределение месячных сумм радиации. Были использованы длиннорядные станции: 35-45 лет наблюдений над прямой и суммарной радиацией и 18-20 лет - над радиационным балансом. Были вычислены статистические характеристики рядов, включая вторые и третьи центральные моменты.
Максимальная величина среднего квадратического отклонения месячных сумм радиации (междугодовая изменчивость) наблюдается весной и летом и составляет 1-2 ккал/см 2 для прямой и суммарной радиации и 0,5-1,0 ккал/см 2 для радиационного баланса. Коэффициент вариации месячного радиационного баланса в районах с устойчивым снежным покровом, то есть там, где зимой он не меняет знака, может достигать 70-90 %.
Изучены кривые распределения суточных сумм суммарной радиации и радиационного баланса по наблюдениям выборочных станций в различных климатических районах за период 7 - 17 лет. Установлено, что кривые распределения суточных сумм большей частью имеют небольшую асимметричность: суммарная радиация в весеннее и летнее время и радиационный баланс – отрицательную, суммарная радиация зимой и осенью – положительную.
Рассмотренные автором в данной работе средние квадратические отклонения сумм радиации разного масштаба осреднения необходимы не только как статистические характеристики для расчета распределения, но имеют самостоятельный физический смысл, являясь показателем устойчивости радиационного режима. Выявлено, что межсуточная изменчивость радиации в 4-5 раз больше, чем междугодовая. Притом, что междугодовая изменчивость температуры и радиации близки, то сделан вывод о значительно меньшей связности ежедневных сумм радиации, по сравнению с температурой.
Междугодовая и междусуточная изменчивость температуры относятся к короткопериодным колебаниям. Анализ многолетнего хода радиационных характеристик указывает на наличие долгопериодических колебаний. В последние десятилетия эти колебания сочетаются с направленным изменением радиации – уменьшением прямой и ростом рассеянной, особенно заметным вблизи крупных промышленных центров. Замечено, что отмеченному изменению радиации способствует не только увеличение запыленности атмосферы, но и рост облачности в районах некоторых крупных городов. Наличие длительных колебаний радиации, которые не могут быть отраженны в коротком периоде, снижает точность определения статистических характеристик и, в частности, приводит к систематическому занижению среднего квадратического отклонения. Это следует иметь в виду при распространении выводов, полученных на материале существующих рядов, для климатического прогноза.
В работе /7/ И.И Борзенковой сделана попытка количественно оценить возможные изменения температурного режима в различных широтных зонах при кратковременных изменениях прозрачности атмосферы, которые могут быть вызваны наличием в атмосфере пылевого слоя. Для расчета таких возможных изменений температуры была использована разработанная М.И. Будыко и М.А.Васищевой полуэмпирическая схема расчета средних широтных и глобальных температур по полугодиям (теплое и холодное).
В качестве примера для построений количественной модели изменения температурного режима в различных широтных зонах был выбран случай извержения вулкана Катмай.
Расчет возможных изменений среднеширотных температур воздуха после извержения Катмай производился по трем моделям:1) изменение прямой солнечной радиации на 10% отмечалось над всем северным полушарием при равномерном распространении пыли; 2) аналогичные изменения имели место только в широтном поясе 30-900; 3) изменения прозрачности могли быть существенными только в высоких широтах 60-900.
Полученные результаты показали, что разности температур воздуха между значениями их до извержения и после него изменяются от нескольких десятых градуса до целых градусов в зависимости от сезона года, широты места и площади, на которую распространяется пыль. В случае, когда колебания прозрачности отмечаются над всем полушарием, наибольшие разности в температурах воздуха отмечаются в высоких широтах.
Расчет планетарных и средних широтных температур в представленной работе производился при постоянном альбедо планеты, то есть не учитывалась связь между уменьшением радиации и изменением ледяного покрова (граница ледяного покрова в северном полушарии принималась постоянной при широте 72 0).
В работе М.Д. Дворкиной /8/ приводятся результаты расчетов автокорреляционных функций месячных и суточных величин продолжительности солнечного сияния, а также взаимных корреляционных функций продолжительности солнечного сияния и суммарной солнечной радиации по данным станций, расположенных на Европейской территории России (ЕТР).
Для получения автокорреляционных функций месячных значений продолжительности солнечного сияния были использованы наблюдения 150 станций за июнь и июль 1952-1968 гг. Из данного объема выборки было сделано 4 выборки.
М.Д. Дворкиной приведены нормированные пространственные автокорреляционные функции месячных и суточных величин продолжительности солнечного сияния и аналогичные функции суммарной солнечной радиации. Сравнение показало, что для месячных величин различия между рассматриваемыми функциями незначительные, а для суточных величин функции практически идентичны.
Взаимные корреляционные функции продолжительности солнечного сияния и суммарной радиации были вычислены для месячных значений по данным измерений 45 станций (июнь-июль 1952-1968 гг.), для суточных – по данным 16 станций (июнь-июль 1961-1968 гг.). По суммарной радиации использовались месячные величины, полученные при измерениях в стандартные актинометрические сроки, суточные величины – по данным самописцев.
В результате анализа полученных результатов был сделан вывод о том, что отдельно для каждого из рассмотренных периодов осреднения (месяц, сутки) взаимнокорреляционные функции суммарной радиации и продолжительности солнечного сияния близки к автокорреляционным функциям обоих элементов, которые в свою очередь близки между собой.
Е.Е Коченовой также рассмотрено распределение средних суточных сумм радиации на стены различной ориентации. Суточные значения солнечной радиации, поступающей на стены зданий, имеют значительную временную изменчивость. Изменчивость притока солнечной радиации на южную стену оказалась наибольшей и составила 59,80 кал/см 2 . Наименьшая изменчивость характерна для юго-западной стены. Коэффициент вариации указывает на максимальную изменчивость солнечной радиации, поступающей на южную стену, примерно на 9 процентов превышающую изменчивость радиации, приходящей на юго-восточную стену. Наибольшие значения коэффициента вариации и среднего квадратического отклонения автор объясняет одновременным действием различных факторов, определяющих приток радиации и на стены здания /9/.
Коэффициент вариации для средней величины ряда на горизонтальную поверхность составил лишь 15 % значения коэффициента вариации на стены южной ориентации.
Средняя изменчивость солнечной радиации имеет эквивалент изменения температуры воздуха в помещении, поэтому автор предлагает использовать данные об изменчивости притока солнечной радиации в расчетном методе теплового режима здания.
К.Я Кондратьевым /10/была рассмотрена распределение ясных и пасмурных дней по Казахстану. Ясным считается день когда сумма отметок облачности за сроков не превышает 14 б, а пасмурным называется день, когда сумма отметок облачности за 8 сроков не менее 66 б. Число ясных и пасмурных дней можно рассматривать по общей и нижней облачности. В работе использовались данные по нижней облачности. Количество дней с нижней облачностью убивает с юга на север (например, число пасмурных дней для января – В Балхаше 1,1, Кызылорде 3,5, Кустаная 2,3, в целом за год Балхаш 1, Кызылорда 27, Кустанай 31). Число ясных дней, естественно возрастает широтой (например, для января – Балхаш 18, Кызылорда 15,1, Кустанай 18,9; для июля Балхаш 15, Кызылорда 24,1 Кустанай 5). Число пасмурных дней тесно связано продолжительностью солнечного сияния, которая является важной гелиоэнергетической характеристикой. Из этого следует вывод, что по территории Казахстана – наблюдается достаточно большое число ясных дней во все сезоны года и на этой основе можно предположить, что и в что и в центральной, и в южной части имеются достаточные гелиоресурсы для развития гелиоэнергетики.
В статье З.И Пивоваровой и В.В Стадника /11/ показано, что междугодовая изменчивость средних суточных сумм прямой радиации, поступающей на вертикальные поверхности южной ориентации, определяется изменчивостью радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Это сделало возможным применение нормального закона распределения и величины среднего квадратического отклонения сумм для горизонтальной поверхности, с учетом коэффициента пропорциональности, к суммам радиации на южные стены. В качестве примера по длиннорядным станциям определены величины радиации для стен южной ориентации, встречающиеся один раз в 10, 20 и 100 лет.
В /12/ представлены данные измерений потока прямой солнечный радиации на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность при различных массах атмосферы в холодное и теплое полугодие, выполненных С.И. Небольсиным с помощью актинометра Михельсона на агрометеоролгической станции Собакино (Подмосковье).
Для практического использования солнечной энергии благоприятными факторами являются высокая интенсивность прямой радиации, большая продолжительность солнечного сияния и высокая температура воздуха.
Данные о природе солнечной радиации за различные интервалы времени свидетельствует о значительной изменчивости энергоотдачи в течение года, сезона и суток. Эта изменчивость обусловлена астрономическими факторами, прозрачностью атмосферы и режимом облачности. Научный и практический интерес представляет исследование характеристик структуры этой изменчивости с целью выявления условий надёжности энергоснабжения, в частности, для эффективного размещения гелиоэнергетических установок, оценки оптимальных параметров солнечных энергетических установок (СЭУ) и аккумулирующих энергию устройств. Характеристика изменчивости прихода солнечной радиации учитывается в гелиоэнергетических расчетах. Так, изменение интенсивности радиации в течение дня и в зависимости от суточного хода облачности влияет на производительность гелиоустановки(особенно при большой её тепловой инерции) и на прерывистость (период без перебойной работы) отдачи производимой энергии, внутри месячная изменчивость сумм радиации и произведенной энергии определяет эффективность использования установленной мощности гелиоустановок и необходимое длительное их регулирование за счет создания аккумулирующих устройств или резервных источников энергии, годовой ход солнечной радиации позволяет судить о режимах работы гелиоустановок в течение года и общей её энергообеспеченности.
В настоящее время наиболее полно изучена статистическая структура поступления часовых, суточных, месячных и годовых сумм суммарной радиации.
В климатическом справочнике содержится информация, полученная в процессе первичной обработки данных наблюдений на актинометрических станциях и обобщения радиационных характеристик- прямой, рассеянной, суммарной солнечной радиации и радиационного баланса(срочные измерения). Непрерывная регистрация выше названных характеристик (особенно прямой радиации поступающей на перпендикулярную поверхность), как правило, является ограниченной по количеству станции наблюдений и продолжительности периода измерений. Исходные ряды сумм радиации не исключены погрешности, связанной с наличием инструментальных ошибок. Ошибки исходных рядов суточных сумм суммарной радиации, полученных путем непрерывной регистрации по самописцам, составляют 10-15 %. Другие виды радиации в теплый период имеют такие же ошибки, зимой ошибки возрастают. Для месячных сумм суммарной рассеянной радиации они составляют 3-5 % в теплый период, 8-10 % в холодный период, а для радиационного баланса и прямой радиации 15-20 % в течении года.
Результаты объективной оценки точности исходных данных с учетом ошибок прибора и микрометеорологической неоднородности показывают, что погрешности определения суточных сумм прямой солнечной радиации наибольшая в зимний период года и наименьшая летом. При осреднении за более продолжительный период времени(месяц, год ) погрешности определения суточных сумм прямой солнечной радиации уменьшается в 3 раза, т.е. составляет 12 % для января и 5 % для июля /11/.
.Для предсказания уровня солнечной радиации в наземных условиях обычно не прибегают к расчету ослабления внеатмосферной радиации, поскольку для этого требуется труднодоступная метеорологическая информация. При практическом использовании данных измерения солнечной радиации применяется несколько подходов, каждый из которых обладает определенной степенью приближения.
Первый подход состоит в использовании полученных часовых или суточных результатов измерений солнечной радиации для оценки ожидаемой эффективности процесса. Этот путь является основным подходом при моделировании процесса.
Второй подход заключается в обработке данных измерений солнечной радиации с помощью статистических методов для представления их более удобном виде и в использовании результирующих временных распределений для предсказания эффективности процесса притока энергии.
Данные по солнечной радиации можно представлять несколькими способами, причем они должны содержать следующую информацию:
1) являются ли они непосредственно измеренными величинами или суммарными значениями за какой- либо период времени( обычно за час или сутки );
2) время или период времени, в течении которого проводились измерения; тип солнечной радиации и тип измерительной аппаратуры;
3) ориентация приемной поверхности ( обычно горизонтальная, иногда с определенным наклоном или в направлении нормами);
4) для усреднённых данных период времени, для которого проводилось обобщение /13/.
М.С. Рудак, Л.Б. Гарцман проанализированы фактические данные, выявлены закономерности распределения статистических характеристик солнечной радиации внутри территории Средней Азии /14/.
Для работы, использовался созданный в САНИГМИ , банк актинометрических данных о суточных суммах прямой, суммарной солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния по 20 станциям Средней Азии за 20-летний период (1959-1978 гг.). Для станций, где суточные суммы не измерялись, они были рассчитаны по рядам срочных измерений прямой и суммарной радиации с помощью линейной интерполяции или методом трапеции.
Для каждого вида информации и каждой станции были рассчитаны эмпирические распределения повторяемости и обеспеченности, а также статистические характеристики: среднее значение, дисперсия, коэффициенты вариации, асиметрии, эксцесса. С помощью этих характеристик были установлены уравнения и рассчитаны параметры аппроксимирующих кривых распределения и обеспеченности.
В задачу статистике входит разработка объективных средств эффективного обобщения имеющейся информации, нахождения взаимосвязи между данными и получения соответствующих выводов.
Статистические методы в метеорологии применяются в основном для анализа метеорологических данных за прошедший период и получения выводов о режиме погоды в будущем. Кроме того, они используется для проверки ценности тех или иных физических экспериментов, оценки эффективности методики прогнозирования.....