О развитии геоинформационной системы (ГИС) радиационного баланса земной поверхности применительно к средней Сибири

В.М. Старков
НОУ ВПО Красноярский филиал «Санкт-Петербургский гуманитарный университет профсоюзов»,
г. Красноярск

Общеизвестно, что радиационный баланс (РБ) является ведущей теплоэнергетической базой процесса эвапотранспирации фитоценозов – потенциального(Z_m) и реального(Z_i) суммарного испарения. Он совместно с фотосинтезом формируют продуктивность природных экосистем вообще и агроэкосистем в частности. В практическом плане ГИС РБ применяется: в сельском хозяйстве - агрометеопрогнозы и программирование урожаев с/х культур; в гидромелиорации - расчеты оросительных норм, разработка экологически безопасной технологии оперативного управления режимом орошения почв с учетом севооборотов; в землеустройстве - экономическая оценка земельных ресурсов; леcном хозяйстве - прогноз пожароопасности леса; прогноз чрезвычайных ситуаций гидрологического и метеорологического характера и т.д. [1].

Аналитически уравнение РБ выражается в виде алгебраической суммы скомпенсированных в суточном режиме электромагнитных и тепловых потоков (световой день+ночь) [5]

R=Q_c - R_k– (Jдн +Jн)=Q_c(1-A)- (Jдн +Jн , мДж/м² (1)

в котором R - радиационный баланс или остаточная радиация; Q=S'+D– cуммарная - коротковолновая с длиной волны λ=280-400нм - радиация, включающая прямую S', приходящую на единицу горизонтальной поверхности и образуемой атмосферными молекулярными комплексами и аэрозолями рассеянную радиацию D;R_k иB_k= Q_c-R_k– соответственно отраженная и поглощенная коротковолновая радиация; A= R_k/Q_c – альбедо поверхности;Jдн, Jн – эффективное длинноволновое излучение земной поверхности (?=400-4000нм) с учетом противоизлучения атмосферы соответственно в световую часть суток и ночью.

Омская научная гидролого-климатическая школа (ГКР) В.С.Мезенцева[4] в несколько ином ключе трактует структуру уравнения РБ, не без основания полагая, что основная роль в формировании Z_mиZ_i принадлежит дневным суммам радиационного баланса R⁺, а величинаJн не является таковой. Поэтому уравнение (1) предложено записывать отдельно для световой части суток и ночного периода

R⁺= Q_c – R_k– Jдн; R^-=Jн (2)

Несомненно, реализация этих уравнений сопряжена с проблемами методологического и информационного характера - прежде всего это касается вопросов определения численных значений элементов РБ и построения на этой основе многолетних рядов различной временн?й конфигурации. Именно поэтому выдающийся климатолог А.И.Воейков инициировал в конце XlX века организацию регулярного изучения режима солнечной радиации [3]. Практическое воплощение этой идеи, как известно, принадлежит С.И.Савинову и Н.Н.Калитину, которые разработали основы методов системных измерений элементов солнечной радиации. Это стало началом регулярных наблюдений (1892г.) в г. Павловске (Санкт-Петербург). Сегодня в современной России функционирует 129 станций, в том числе в Средней Сибири регулярные наблюдения ведутся с середины 1950-ых годов на 10 станциях: Шарыпово, Назарово, Солянка, Енисейск, Ванавара, Тура, Туруханск, Норильск, Кызыл, Хакасская. Территориально к ним примыкают станции Тулун, Хомутово, Казачинское (Иркутская область), Кузедеево (Кемеровская область), Барнаул (Алтайский край), Огурцово (Новосибирская область), Асино (Томская область). Несмотря на внушительное число станций и значительный временн?й период наблюдений, имеющаяся ныне база данных по РБ далеко не всегда обеспечивает потребителей необходимой информацией с допустимой точностью(σ=+/-10 %-погрешность балансомера или балансографа, по которым ведутся наблюдения за РБ на станциях). Причина состоит в том, что существующая сеть, размещенная, как правило, по квадратным сеткам размером 500х500км, не позволяет интерполировать или экстраполировать актинометрическую информацию, особенно за короткие интервалы времени - сутки, декада – в пункты, где измерения такого рода не ведутся.

Этот пробел восполнятся, как правило, путем применения эмпирических моделей, в которых аргументами-предикторами являются метеоэлементы, в той или мере отражающие процесс формирования величиныR⁺. Однако пространственный радиус их применения весьма ограничен, во-первых, из-за неясности физической сущности эмпирических коэффициентов - поскольку они концентрируют в себе ряд неопознанных физико-биологических факторов - и, во-вторых, из-за отсутствия надежных критериев ихгеографической дифференциации. [6]. Поэтому возникает вопрос о необходимости поиска решений как методического, так и геоинформационного характера. В первом случае речь идет о возможности применения физико-статистических моделей[2], в которых численные значения коэффициентов увязываются с физическими факторами, во втором – о привлечении базы данных метеостанций, пространственная плотность и временной период наблюдений которых в значительной степени превосходит актинометрические. Например, только в Средней Сибири функционирует 118 метеостанций, в том числе с более чем 100-летними наблюдениями (Тисуль, Красноярск, Тулун…).

Руководствуясь этим методическим инструментом, для расчета декадных суммR⁺ за период май-сентябрь разработана имитационная модель, сконструированная по материалам выше указанных станций и актинометрической информации, полученной в 1970-1980гг. Сибирским НИИ гидротехники и мелиорации на опытных участках в процессе эколого-мелиоративных исследований: Ивановка (пойма р.Урюп); Балахта, Н-Марьясово (пойма р.Чулым); Исток, Есаулово, Крутая, Ворогово (пойма р.Енисей) [7]

R⁺=A_о+A₁h_oe^ψ (3)

где A_o и A₁ –эмпирические коэффициенты (параметры); h_o - средняя за дневные сроки наблюдений высота Солнца, град;e-экспонента; ?=T_2,0(1-n_пр)/f - комплексный параметр, включающий термогигрометрические ингредиенты, измеряемые на стандартной высоте 2,0м, и облачность. Все эти элементы имеют физическую основу процесса преобразованияQ_c на уровне земной поверхности:T_2,0–среднедневная температура воздуха - следствие взаимодействия потоковQ_c,R_k и Jдн; n_пр - приведенная облачность_, равная полусумме общейn_о и нижнейn_н облачности, в долях единицы; с учетом режима влагонасыщенияn_пр отвечает за процесс рассеяния, поглощения и пропускания Q_с,; f_2,0-относительная влажность воздуха, %, регулирующая поглощение и ослабление водяным паром уже в приземном слое воздуха, особенно при туманах, в условиях естественных болотных ландшафтов и близости метеостанций к водной поверхности - реки, озера и другие водоемы[].Кроме того, сами аргументы подобраны таким образом, что они минимально связаны между собой, т.е. относительно независимы. Подтверждением служит парные коэффициенты корреляции по всем станциям r(ho;f)=0,07-0,15;r(ho;1-n)=0,11-0,18; r(ho;T_2.0)=0,18-0,29;r(f;T_2.0)=0,09-0,17;r(1-n;T_2.0)=0,08-0,14; r(1-n;f)=0,12-0,17. Что касается корректности модели (3), то она по тесноте связи (r=0,88+/-0,96+/-0,0014) и критерию Фишера(F=7,0-57,0) адекватно воспроизводит декадные значенияR⁺. Об свидетельствует сравнение на независимом материале измеренных и рассчитанных значений (рис.1).Как показал анализ, параметр A_oдостаточно устойчиво коррелируется с абсолютной высотой местностиH_абс,м: А₀= -37,4 + 0,092Н_абс.м; r= 0,822 +/- 0,07. При этом проявляется разграничение А₀ по ландшафтному признаку за счет различий R_k; J_дн; f(рис.1). Параметр А₁ имеет вполне удовлетворительную связь с географической широтой расположения метеостанций, φ.

А₁ = 0,484 + 0,0534;r= 0,793 +/- 0,08 (4)

Предложенная модель является одним из надежных методических инструментов создания геоинформационных систем РБ, обеспечивающих не только генерализованное картирование РБ, но и крупномасштабное за различные интервалы времени: декада, месяц, теплый сезон года (май-сентябрь). Вместе с тем надо признать, что при построении модели использованы в ряде случаев короткие и разнопериодные ряды наблюдений - это не могло не сказаться на устойчивости параметров А₀ и А₁.

Список литературы

1. Абрамов В.В. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп./ В.В.Абрамов. – Спб.: СПбГУП, 2010. – 456с.

2. Бондаренко Н.Ф.Моделирование продуктивности агроэкосистем/ Н.Ф. Бондаренко, Е.Е.Жуковский, И.Г. Мошкин, С.В. Нерпин и др.- Л.: Гидрометиздат, 1982. – 264с.

3. Воейков А.И.Климаты земного шара, в особенности России/ А.И. Воейков. – СПб, 1884. –787c.

4. Карнацевич И.В. Возобновляемые ресурсы тепловлагообеспеченности Западно–Сибирской равнины и динамика их характеристик/ И.В. Карнацевич, О.В. Мезенцева, Ж.А. Тусупбеков, Г.Г. Бикбулатова и др. – Омск: Издательство ФГОУ Ом ГАУ, 2007. –268c.

5. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы/ Л.Т. Матвеев. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 750c.

6. Русин Н.П. Требования к наземной актинометрической информации и рационализация системы актинометрических наблюдений/ Н.П.Русин, К.Я. Винников. – Сб. трудов Радиационные процессы в атмосфере и на земной поверхности. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – С. 14-25.

7. Старков В.М. Моделирование тепловлагообмена пойменных геосистем Енисея и Чулыма на основе тепловоднобалансового метода/ В.М Старков. – Сб. трудов Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. – Красноярск: КНИГиМС, 1999. – С. 154-164. 

Назад к списку