CC BY
44
Б. Доржсурэн
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РАЗЛИЧНЫХ РАЙОНАХ МОНГОЛИИ
В этой статье приводятся основные результаты опреде-ления коэффициентов вариации естественной освещен-ности горизонтальной земной поверхности в различных райо-нах Монголии и некоторые особенности её режима.
Впервые рассматриваются вопросы изучения влияния го-рода Улан-Батор на режим естественной освещенности зем-ной поверхности в условиях с резкоконтинентальным кли-матом.
Ключевые слова: световой климат, естественная осве-
щенность.
При решении задач, связанных со знанием естественной освещенности, очень важно иметь представление о том, как мо-гут отличаться величины естественной освещенности в отдель-ные годы и дни от величин, приведенных на изоплете и соответствующих средним условиям облачности и прозрачности в данном районе.
Для оценки устойчивости средних месячных за 9-14-лет-ний период значений освещенности или норм освещенности Еср, нанесенных на изоплеты [1], были рассчитаны средние квадратичные отклонения значения естественной освещенности Е за отдельные годы и дни (коэффициенты вариации) от многолетней нормы в Улан-Баторе за период 1974-1988 гг., в Мурэне 1974-1985 гг., в Даланзадгаде 1974-1985 гг. по формуле:
где п - число лет или число дней наблюдений.
В табл. 1 представлены значения коэффициентов вариа-ции освещенности горизонтальной земной поверхности в Улаанбааторе за отдельные годы от средних значений освещенности, вычисленных за период 1974-1988 гг., за
Е ЕсРЧ п -1
(1)
основные актинометрические сроки в каждом месяце. Из таблицы видно, что в некоторые годы средняя месячная суммарная освещенность может значительно отклоняться от средней многолетней. Так, например, в течение суток изменчивость суммарной освещенности наибольшая в июле и августе (8-20 и 8-24 %), а наименьшая - в марте и ноябре (5-9 и 5-7 %).
На рис. 1 приведен годовой ход коэффициентов вариа-ции суммарной и рассеянной освещенности за отдельные годы в Мурэне, Чойбалсане, Даланзадгаде и Алтае за срок 12 ч 30 мин в каждом месяце 1 и аналогичные графики коэф-фициентов вариации освещенности в некоторых пунктах СССР 2 [2]. Как видно из табл. 1 и рис. 1, величины коэффициентов вариации рассеянной и суммарной освещенности для разных районов различны. Эти различия тесно связаны с годовым ходом распределения облачности, прозрачности атмосферы и альбедо подстилающей поверхности для разных географических районов нашей страны. Минимальные коле-бания коэффициентов вариации суммарной освещенности из года в год наблюдаются на территории Монголии в зимний период (612 %), а для рассеянной освещенности - в летний период (4-15 %). Наибольшие пределы колебания коэффи-циентов вариации с резко выраженным годовым ходом отме-чаются на территории нашей страны в летний и осенний пе-риоды, что связано с неустойчивой погодой и большим коли-чеством облачных дней. Коэффициенты вариации рассеянной освещенности для различных районов Монголии (см. рис. 1, а) близки друг другу. Изменения величины коэффициента вариации для северной, центральной и южной частей терри-тории нашей страны имеют четко выраженный годовой ход с минимальными значениями в летний период и макси-мальными в осенне-зимний. А для районов с большим коли-чеством солнечных дней годовой ход коэффициента вариации не выражен. Для оценки возможных в отдельные дни отклонений величины освещенности от норм, приведенных на изоплетах
[1], были рассчитаны коэффициенты вариации для трех пунктов Мурэн, Улан-Батор, Даланзадгад, выбранных соответствен-но трем типам изменчивости естественной освещенности (рис. 2). Как видно из рис. 2, годовой ход
коэффициента вариа-ции ежедневных значений естественной освещенности от многолетней нормы аналогичен годовому ходу коэф-фициентов вариации за отдельные годы. Отклонение величи-ны освещенности, которое может иметь место в отдельный конкретный день, от норм освещенности может быть велико. По данным наблюдений в Улан-Баторе (ГО, МоГУ) в период неустойчивой погоды суммарная и рассеянная освещенность в 1,6-2,5 раза отличается от данных, приведенных на изоплетах [1]. В северной (Мурэн) и южной (Даланзадгад) частях Мон-голии погода более устойчивая, колебания суммарной освещенности меньше. Однако значения рассеянной освещен-ности в отдельные дни могут отличаться от значений, приве-денных на графиках и изоплетах, в 1,8-2,4 раза, что связано с неустойчивостью прозрачности атмосферы. Результаты расчета средних квадратичных отклонений ежедневных величин осве-щенности от норм, проведенного И.А. Савиковским и М.А. Гольбергом [3], изложенные в [4, 5], показывают, что коэф-фициенты вариации величины освещенности мало отличаются от срока к сроку. Таким образом, наблюдаемое значение осве-щенности в отдельные дни может существенно отличаться от норм, поскольку величина ее будет определяться формой и количеством облачности в тот или иной конкретный день.
К установлению особенностей режима естественной освещенности данной местности необходимо изучить влияние города на естественную освещенность земной поверхности. Большая замутненность атмосферы в городах, обусловленная промышленным загрязнением, приводит к ослаблению прямой и суммарной радиации. По данным различных исследова-телей, потеря радиации в больших городах составляет от 5 до 20 %. Вопрос об уменьшении освещенности рассматривался небольшим количеством авторов.
В последние годы появились данные об освещенности Москвы, полученные метеорологической обсерваторией МГУ и загородной станцией им. С.Н. Небольсина (Со-бакина), согласно которым естественная освещенность в Москве по сравнению с сельской местностью существенно снижается [6].
386
' де
Admpdma AE (ёёё) ё iд^mёдdёшйd________(%) nдda^иd ёaaaдaдё+ные iдёёi^d^ёy
E
inadйd^^inдё aiдёfi^дaёшiё faiiie їiadдд^inдё a Oёaa^daaдaдd fa iдadёй^йd Май іО nдda^ёд f^a+d^ёё madйdіїiШдё, aй+ёnёduйд fa їdдёia 1974-1988 aa.
Adaiy (+an.iei)
6.30 9.30 12.30
Manyo аед аед ЕД aeq AEq Eq аед аед ЕД AEq AEq Eq аед аед ЕД AEq AEq Eq
I 4,1 9 8,0 15 1,1 2 6,4 5
II 2,9 8 8,4 7 0,9 2 8,8 6
III 2,0 З 8,5 6 5,7 7 11,0 6
IV 0,1 0,7 2.3 0,2 1,1 0,З 2.4 12 3 7 4 4 З 22 0,8 З,6 2,1 1,4 4,0 5,З 4,9 5 7,8 10 8,1 4 10,0 11 24,5 12
V 12 6,1 8 5,9 5 14,З 15 16,7 8
VI 9 12,8 14 6,6 11 7,7 9 10,4 10
VII 2 14,5 1З 12,1 20 2,1 7 1З,0 12
VIII 8 8,4 11 15,0 24 1З,З 12 20,0 14
IX 14 8,8 15 9,1 12 0,1 2 10,5 16
X 11 6,0 12 9,З 8 9,5 16 З,9 9
XI 4,8 14 З,4 5 6,8 14 4,4 6
XII 11,8 29 6,1 11 9,9 21 6,1 11
Nбaa^aa 1,0 8 З,2 9 7,5 1З 8,4 11 6,8 9 11,З 8
їба^й
юёааа- З-22 5-14 З-29 5-24 2-21 5-16
^ёй, %
387
Айшу (+апли)
15.30 18.30
Мапуо АЕД АЕд Ед АЕд АЕо Ео Аед АЕд Ед АЕд АЕо Ео
I 2,0 15 2,9 10
II 5,1 16 6,5 12
III 1,9 4 8,9 9
IV 3,6 7 17,9 16
V 5,3 8 8,7 10
VI 7,6 13 4,9 6 0,1 14 1,7 9
VII 6,0 10 7,0 12 0,5 5 3,2 8
VIII 5,9 10 16,7 14 2,2 12 3,0 11
IX 3,5 8 9,9 19 1,8 10 1,9 9
X 1,0 4 5,7 12 1,9 23 2,1 8
XI 1,4 13 0,9 7
XII 0,4 11 1,1 6
Йбаата 3,6 10 7,6 12 1,3 13 2,4 8
1баааёй юёаашёй, % 4-16 6-19 5-23 8-11
20
Д
Е
Д
1
Вёп. 1. Аіаіаіе бій еіудоебеаШа аадёабёё ід иииёшнеб пді даппаупіе (а) ё пдііадпе (а) таащатпдё йёу тааёШйб ёад: 1 —
— Іббуі,.......хїеааепаі, .....Aaeaifaaaaa, “ * ~ Аёбае,
2......Іїпеаа,-----Ёёаа,.........Ёбёббпё, _ * ~Оаоёшб
Ben. 2. Аіаіаіе дій еіуддедетдіа аадеадее ід таіейдіед йді пдііадпе (а) е даппйуше (а) іпайотипде аеу ідайешйд ейд.
----Іодуї,-------Оеааїаааоад, “ * ~ Aaeaifaaaaa
1,0г
0,6
іі! iv V V! vij vm
Я:> Н
і и :.ч iv
Vi w чм їх
хі хм мес.
Веп. 3. Аіаіаіе діа еіуддедеаідіа аадеадее ід иіаіеадіїд йді пдішдіїе (а) е даппауиіе (а) іпаащаііїпде а аідіаа (деашаааоад) е пдііМйе е даппаупіе іпМщаііїпде а паеипеіе іапдипде (Оудуеа) а підіе ^ааеpаа^еу 9 30 іин, 12 ч 30 іин
Анализ распределения полей суммарной и рассеянной освещенности по территории Монголии позволил оценить влияние промышленного загрязнения атмосферы на естест-венную освещенность больших городов, расположенных в раз-ных климатических районах. Для оценки влияния городско-го загрязнения на величину рассеянной и суммарной осве-щенности сравнивалась освещенность нескольких больших го-родов, расположенных в различных географических районах Советского Союза [2], с освещенностью в пунктах, располо-женных в сельской местности и в непосредственной близости от рассматриваемого города, но без источников промышлен-ного загрязнения. Для оценки уменьшения величины освещен-ности в городских условиях было использовано отношение величины освещенности в городе (Улаанбаатаре) к величине освещенности в сельской местности (Тэрэлж). Нами были использованы данные актинометрических наблюдений в геофизической обсерватории МоГУ в центре города Улаанба-атаре с 1978 по 1986 гг. и в Тэрэлже с 1983 по 1986 гг. На рис. 3 приведен годовой ход отношения суммарной и рас-сеянной освещенности в Улан-Баторе к величине суммарной и рассеянной освещенности в Тэрэлже для полуденного срока. По данным рис. 3 наиболее заметное ослабление суммарной освещенности отмечается в месяцы холодного периода года - с ноября по март. В теплый период влияние города на величину освещенности уменьшается, что, вероятно, можно объяснить увеличивающимся в этот период перемешиванием воздуха, который распространяет поступающие в атмосферу загрязняющие примеси на большие пространства. Зимой эти примеси сосредотачиваются в нижнем слое атмосферы и остаются в пределах города. В среднем летом величина суммарной освещен-ности, наблюдающаяся в Улан-Баторе, на 3-10 % меньше, чем в Тэрэлже. Зимой это значение сущест-венно увеличивается - снижение освещенности в зависимости от масштаба и расположения города и степени загрязнения атмосферы может дойти до 18-31 % [9]. Аналогичное исследование влияния городских условий по данным суммар-ной радиации было проведено в Москве, Ленинграде, в Канаде для Монреаля [2] и в городах Японии [7]. Влияние города на освещенность имеет также и дневной ход. Исследование влияния городских условий на суточный ход суммарной освещенности горизонтальной поверхности в Улаанбаатаре показало, что разница в величинах суммарной освещенности наиболее заметна в утренние
часы в зимнее время, когда перемешивание воздуха мало, а твердые примеси в атмос-фере в течение ночи застаиваются в приземных слоях возду-ха. Позднее в связи с развитием конвекции и усилением ветра городская пыль может выноситься за пределы города
[2]. Эта зависимость сильно проявляется в Улаанбаатаре. При сравнении естественной освещенности в городе и сельской местности очень важно использовать наблюдения за один и тот же период времени. Полученные нами результаты хорошо согласуются с непосредственными исследованиями концентра-ции дыма на высоте 3,6 и 10,6 км, проведенными в Монреале, и с результатами наблюдений Московской метеорологичес-кой обсерватории [8]. Согласно этим исследованиям, кон-центрация дыма зимой в три раза выше, чем летом, что свя-зано с недостаточной вентиляцией городской атмосферы зи-мой, обусловленной устойчивостью атмосферы и частой темпе-ратурной инверсией, вызванной снежным покровом. Наблюде-ния за концентрацией дыма в течение суток показали, что максимум концентрации наблюдается утром после восхода Солнца и вечером, а минимум - в полдень. По данным годового хода величины отношения рассеянной освещенности в Улаан-баатаре к рассеянной освещенности в Тэрэлже, приведенным на рис. 3, следует, что ослабление рассеянной освещен-ности в условиях города по сравнению с сельской местностью также существенно. Причем наибольшее уменьшение падает на зим-ние месяцы. Этот эффект можно объяснить как особен-ностями поглощения света городскими аэрозолями, так и закономерностями изменения рассеянной освещенности при малых высотах Солнца [9]. В условиях обычной непогло-щающей свет атмосферы с уменьшением ее прозрачности величина рассеянной освещенности должна увеличиваться. По-видимому, уменшнение рассеянной освещенности в городе на 6-12 % в летнее время при большой высоте Солнца можно объяснить чистым поглощением света атмосферными аэрозоля-ми промышленного происхождения. Сильное ослабление рас-сеянной освещенности в городских условиях в зимние месяцы, кроме того, можно объяснить большей величиной альбедо снежного покрова в сельской местности по сравнению с городом, а также особенностями рассеяния света при малых высотах Солнца, при которых величина рассеянной освещен-ности в непоглощающей атмосфере начинает падать с умень-шением прозрачности. Уменьшение рассеянной освещенности в условиях большого города может быть так-
же связано с закрытостью горизонта площадок городских метеоро-логи-ческих станций, где проводились измерения радиации и где близлежащие строения могут экранировать отдельные зоны неба. Таким образом, максимальное ослабление освещенности в зимние месяцы может быть обусловлено тремя факторами: погло-щением света городскими аэрозолями, малым значением аль-бедо в городах и особенностями ослабления рассеянной осве-щенности при малых высотах Солнца. По нашим расчет-ным данным дневной ход отношения рассянной освещен-ности в городе к освещенности в сельской местности, как и для суммарной освещенности, наибольшее ослабление имеет в утренние часы. Следует отметить, что для ис-следо-вания влияния достаточно близки по климатическим характеристикам пункты в сельской местности и городе. Кроме того, как показали исследования, проведенные метеороло-гической обсерваторией МГУ в разных районах крупных городов, влияние городских условий может быть различ-ным, хотя общие закономерности и не меняются [6-8]. Для более детальных исследований, по-видимому, следует про-водить измерения параллельно с городскими на специ-ально выбранных пунктах сельской местности.
Анализируя полученные данные, можно сделать следующие основные выводы:
1.Впервые исследованы изменчивость естественной освещенности и особенности ее режима. Изменчивость сум-марной освещенности в Улан-Баторе наиболшая в июле и августе (8-20 и 824 %), а наименьшая в марте и ноября (5-9 и 5-7 %). Величины коэффициента вариации рассеян-ной и суммарной освещенности для различных районов нашей страны различны. Эти различия тесно связаны с годовым ходом распределения облачности, прозрачности атмосферы и альбедо подстилающей поверхности для раз-ных физико-географических районов страны. Минималь-ные колебания коэффициентов вариации суммарной освещенности из года в год наблюдаются на территории Монголии в зимний период (6-12 %), а рассеянной освещенности - в летний период (4-15 %).
2.Изменения величины коэффициента вариации для северной, центральной и южной частей территории нашей страны - четко выраженны суточный ход с мини-мальными значениями в летний период и максимальными в осенне-зимний. А для районов с большим количеством солнечных дней годовой ход коэффициента вариации не выражен.
3.Впервые изучено влияние города Улан-Батор на естественную освещенность земной поверхности, в усло-виях Монголии с резко-континентальным климатом. Для оценки уменьшения величины освещенности в городских условиях было использовано отношение величины осве-щенности в городе Улан-Батор к величине освещенности в сельской местности Тэрэлж.
Наиболее заметное ослабление суммарной освещен-ности отмечается в месяцы холодного периода года - с ноября по март. В среднем летом величина суммарной освещенности, наблюдающаяся в Улан-Баторе, на 3-10 % меныше, чем в Тэрэлж. Зимой это значение существенно увеличивается - снижение освещенности в зависимости от масштаба и расположения города и степени загрязнения атмосферы может дойти до 18-31 %. Влияние города на освещенность имеет также в дневной ход. Ослабление рассеянной освещенности в условиях города по сравнению с сельской местностью также существенно.
4.Максимальное ослабление освещенности в зимние месяцы может быть обусловлено тремя факторами: погло-щением света городскими аэрозолями, малым значением альбедо в городах и особенностями ослабления рассеян-ной освещенности при малых высотах Солнца.
5.Следует отметить, что для более детальных иссле-дований влияния городских условий на величину осве-щенности необходимо выбрать достаточно близкие по климатическим характеристикам пункты в сельской местности и городе и проводить измерения параллельно в одно и то же время.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Доржсурэн Б. Исследование светового климата на территории Монголии. - 1992, УБ. - НИЦГ при НУМ и АН Монголии (Диссер-тация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук. 172 с.)
2. Глаголева Т.А. Естественное освещение промышленных зданий. - Профиздат, 1981. - С. 89-103.
3. Гольберг М.А., Савиковский И.А. Естественная освещенность в БССР, Сб. работ Белорусского ТГМЦ. - Вып.2. - 1983. -С. 102-109.
4. Доржсурэн Б. Прямая освещенность горизонтальной земной поверхности в Улаанбаатаре. - МУИС ЭШБ. - 1988. - №З(99). (Ученые записки МоГУ)
5. Доржсурэн Б., Халтар Д. Естественная освещенность верти-каль-ных поверхностей в Уланбаторе//Ученые записки МоГУ. -1984. - №1(85). - С. З0-51.
6. Климат Москвы (Особенность климата большого города). Гл.2// Под. ред. проф. А.А. Димитриева. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 1988, 1997.
7. Nishizawa Т., Kamshita S. On attention of Solar radiation in the large cities. Japan. Progs. Climatolog. 1977, nov, 66-70.
8. Евневич Т.В, Никольская Н.П. Некоторые характеристики наружной освещенности в Москве. - В кн.: Естественное освещение и инсоляции зданий. - М.: Госстройиздат, 1968, 1986.
9. Доржйрэн Б. Гэрлийн уур амьсгалын судалгааны дїнг том хотуудын агаарын бохирдолын дэвсгэр (фон)-ийг шэлэхэд ашиглах боломж. Дэлхийн физикийн жилд зориулсан МУШУТИС-ийн ЭШ-ний бггээлийн эмхэтгэл, N2/82, УБ, 2006, 1З4-142. (Ученые записки МГУНиТ. N2/82, 2006).
10. Simplified relationships for estimating solar radiation incident, on any flat surface. M., “Solar energy”, 1982,28, N6, 509-517.
Коротко об авторе ____________________________________________
Доржсурэн Б. - профессор, Монгольский государственный университет науки и технологии, Институт материаловедения, физическое отделение
E-mail: [email protected], [email protected]
