RU2531050C2 - Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level - Google Patents

Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level Download PDF

Info

Publication number
RU2531050C2
RU2531050C2 RU2012148734/28A RU2012148734A RU2531050C2 RU 2531050 C2 RU2531050 C2 RU 2531050C2 RU 2012148734/28 A RU2012148734/28 A RU 2012148734/28A RU 2012148734 A RU2012148734 A RU 2012148734A RU 2531050 C2 RU2531050 C2 RU 2531050C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solar radiation
clouds
scattering
radiation
absorption
Prior art date
Application number
RU2012148734/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012148734A (en
Inventor
Сергей Павлович Смышляев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Priority to RU2012148734/28A priority Critical patent/RU2531050C2/en
Publication of RU2012148734A publication Critical patent/RU2012148734A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2531050C2 publication Critical patent/RU2531050C2/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to atmospheric physics and can be used for meteorological purposes. The method uses data on coordinates of an estimation point, date and time of estimation to calculate extra-atmospheric spectral streams of solar radiation, the ozone absorption section, coefficients of attenuation of solar radiation as a result of scattering by gases and optical mass of the atmosphere. Data on the value of surface pressure, air humidity, total content of ozone at the level of the earth's surface, overall amount of clouds and average size of cloud and aerosol particles are used to determine coefficients of haze and coefficients of attenuation of solar radiation by atmospheric aerosol and clouds. Spectral streams of solar radiation are then calculated taking into accounts effects of absorption and scattering of radiation by aerosol and clouds.
EFFECT: high accuracy of estimating spectral streams of solar radiation for a geographic point.

Description

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу изменений погоды, климата и химического состава атмосферы, экологической ситуации в регионе.The invention relates to the field of monitoring, in particular to monitoring changes in weather, climate and chemical composition of the atmosphere, the environmental situation in the region.

Известен способ оценки пространственной изменчивости потоков солнечной радиации и связанных с солнечной радиацией метеорологических параметров (патент US №6748327 B1), используемый для оценки географической изменчивости зависящих от солнечной радиации метеорологических параметров на основе измерений на метеорологических станциях. Способ включает статистический анализ региональных данных, вычисление средних климатических характеристик и отклонений от них, построение эмпирических моделей изменчивости средних значений и отклонений. Указанный способ позволяет на основе корреляционных соотношений по данным на отдельных станциях оценивать аналогичные характеристики солнечной радиации и связанные с ними метеорологические характеристики в областях, не имеющих измерений.A known method for assessing the spatial variability of solar radiation fluxes and meteorological parameters associated with solar radiation (US Pat. No. 6,748,327 B1) is used to assess the geographical variability of solar-dependent meteorological parameters based on measurements at meteorological stations. The method includes a statistical analysis of regional data, calculation of average climatic characteristics and deviations from them, the construction of empirical models of variability of average values and deviations. This method allows us to evaluate the similar characteristics of solar radiation and the associated meteorological characteristics in areas that do not have measurements based on correlation relationships from data at individual stations.

Однако данный способ не позволяет оценить фактические значения потоков солнечной радиации в географической точке, представляющей исследовательский интерес, по фактическим данным о метеорологических характеристиках, влияющих на ослабление солнечной радиации, таким как концентрация воздуха, температура, содержание озона и прозрачность атмосферы. Кроме того, аналог позволяет статистически оценивать интегральные, т.е. не зависящие от спектра солнечного излучения, характеристики потоков радиации и не позволяет учитывать спектральные различия ослабления солнечной радиации.However, this method does not allow to evaluate the actual values of solar radiation fluxes at a geographical point of research interest, based on actual data on meteorological characteristics that affect the attenuation of solar radiation, such as air concentration, temperature, ozone content and atmospheric transparency. In addition, the analogue allows you to statistically evaluate the integral, i.e. independent of the spectrum of solar radiation, the characteristics of radiation fluxes and does not allow taking into account the spectral differences in the attenuation of solar radiation.

В указанном выше аналоге для решения этой проблемы используются географические корреляционные связи, позволяющие учесть географическую изменчивость, но не учитывающие фактическое состояние погоды в точке интереса.In the aforementioned analogue, geographic correlation relationships are used to solve this problem, allowing for taking into account geographical variability, but not taking into account the actual weather condition at the point of interest.

Известный способ вычисления потоков солнечной радиации с учетом молекулярного рассеяния (статья JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 97, NO.DY, PAGES 7593-7601, MAY 20, 1992), заключается в вычислении прямых и рассеянных потоков солнечной радиации для вычисления скоростей фотодиссоциации атмосферных газов. Этот способ позволяет учитывать рассеяние радиации атмосферными газами на разных высотах атмосферы.A known method for calculating solar radiation fluxes taking into account molecular scattering (JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 97, NO.DY, PAGES 7593-7601, MAY 20, 1992) consists in calculating direct and diffuse solar radiation fluxes to calculate atmospheric photodissociation rates gases. This method allows you to take into account the scattering of radiation by atmospheric gases at different heights of the atmosphere.

Однако данный способ не позволяет учесть рассеяние и ослабление атмосферным аэрозолем и облаками и ориентирован на вычисление потоков солнечной радиации в стратосфере, т.е. выше слоев облачности и аэрозольного загрязнения, и не позволяет вычислять спектральные потоки солнечной радиации на уровне земной поверхности.However, this method does not allow scattering and attenuation by atmospheric aerosol and clouds to be taken into account and is focused on calculating solar radiation fluxes in the stratosphere, i.e. above layers of cloudiness and aerosol pollution, and does not allow the calculation of the spectral flux of solar radiation at ground level.

Техническим результатом является повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки и их локализация за счет учета данных о метеорологической ситуации, общем содержании озона и прозрачности атмосферы.The technical result is to increase the accuracy of the estimation of the spectral fluxes of solar radiation for a geographical point and their localization by taking into account data on the meteorological situation, total ozone and transparency of the atmosphere.

Потоки солнечной радиации на уровне земной поверхности определяют нагрев почвы, облучение биологических организмов, влияют на нагрев атмосферы, атмосферную циркуляцию и являются ключевым фактором комфортного проживания населения. Точные оценки потоков солнечной радиации крайне необходимы для осуществления численного прогноза погоды, выбора режимов энергопотребления, оценки экологической ситуации. Величина потоков солнечной радиации на уровне земной поверхности определяется ее ослаблением при прохождении через атмосферу, в частности содержанием поглощаемых газов и, прежде всего молекулярным кислородом и озоном, молекулярным рассеянием, ослаблением облаками и аэрозолем.The fluxes of solar radiation at the level of the earth's surface determine the heating of the soil, the irradiation of biological organisms, affect the heating of the atmosphere, atmospheric circulation and are a key factor in the comfortable living of the population. Accurate estimates of solar radiation fluxes are essential for a numerical weather forecast, selection of energy consumption modes, and environmental assessment. The magnitude of the fluxes of solar radiation at the level of the earth's surface is determined by its weakening when passing through the atmosphere, in particular, by the content of absorbed gases and, primarily, molecular oxygen and ozone, molecular scattering, attenuation by clouds and aerosol.

Для решения поставленной цели в качестве исходных данных берут величину приземного давления (p), влажности воздуха, общего содержания озона на уровне земной поверхности (SO3), общий балл облачности Nh, средний размер облачных и аэрозольных частиц

Figure 00000001
, координаты точки оценки (φ - широта точки оценки), дату и время оценки.To solve this problem, the surface pressure (p), air humidity, total ozone at the surface level (S O3 ), total cloudiness score N h , and the average size of cloud and aerosol particles are taken as initial data
Figure 00000001
, coordinates of the evaluation point (φ is the latitude of the evaluation point), date and time of the evaluation.

Далее определяют Fλ,∞ - внеатмосферный спектральный поток солнечной радиации, где λ - длина волны в спектре Солнца, которая задается от 290 до 700 нм с шагом 5 нм. Для каждого значения длины волны по актинометрическому справочнику определяется Fλ,∞. Также для тех же длин волн из справочника Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies, NASA, JPL Evaluation 15, JPL Publication 06-02, Pasadena, California, 2006, находится σλ,O3 - сечение поглощения озона на длине волны λ.Next, F λ is determined , ∞ is the extra-atmospheric spectral flux of solar radiation, where λ is the wavelength in the spectrum of the Sun, which is set from 290 to 700 nm in increments of 5 nm. For each value of the wavelength, F λ, ∞ is determined from the actinometric reference book. Also for the same wavelengths from the Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies, NASA, JPL Evaluation 15, JPL Publication 06-02, Pasadena, California, 2006, there is σ λ, O3 is the ozone absorption cross section at wavelength λ .

После этого вычисляют kλ,scat - коэффициент ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами для тех же длин волн - по формуле:After that, k λ is calculated , scat is the attenuation coefficient of solar radiation as a result of scattering by gases for the same wavelengths, using the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

Стандартное приземное давление p0=1025 мб.Standard surface pressure p 0 = 1025 mb.

После того определяют коэффициент мутности β для тех же длин волн как отношение коэффициента ослабления для текущей атмосферы к коэффициенту ослабления для идеальной атмосферы, не содержащей облаков и аэрозолей. В зависимости от степени загрязнения атмосферы фактор мутности принимается равным 3 или 4.After that, the turbidity coefficient β is determined for the same wavelengths as the ratio of the attenuation coefficient for the current atmosphere to the attenuation coefficient for an ideal atmosphere that does not contain clouds and aerosols. Depending on the degree of air pollution, the turbidity factor is taken equal to 3 or 4.

Далее определяют коэффициент ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками kλ,cloud для вышеуказанных длин волн по формуле:Next, the attenuation coefficient of solar radiation by atmospheric aerosol and clouds k λ, cloud for the above wavelengths is determined by the formula:

Figure 00000003
.
Figure 00000003
.

Коэффициент n зависит от размера облачных и аэрозольных частиц и определяется по формуле

Figure 00000004
, где
Figure 00000005
- средний размер облачных и аэрозольных частиц.The coefficient n depends on the size of the cloud and aerosol particles and is determined by the formula
Figure 00000004
where
Figure 00000005
- the average size of cloud and aerosol particles.

После этого вычисляют оптическую массу атмосферы mθ.After that, the optical mass of the atmosphere m θ is calculated.

Оптическая масса атмосферы mθ представляет собой величину, показывающую, во сколько раз увеличивается путь солнечного луча в атмосфере при зенитном угле θ по сравнению с нулевым зенитным углом.The optical mass of the atmosphere m θ is a value that shows how many times the path of the sun's beam in the atmosphere increases at the zenith angle θ compared to the zenith angle.

Зенитный угол Солнца θ меняется в зависимости от вращения Земли вокруг Солнца и вращения Земли вокруг своей оси.The zenith angle of the Sun θ varies depending on the rotation of the Earth around the Sun and the rotation of the Earth around its axis.

В течение года Земля описывает вокруг Солнца эллиптическую орбиту. Наблюдателю, находящемуся на Земле, наоборот, кажется, что Солнце движется по небесному своду и описывает в течение года путь, называемый эклиптикой. Плоскость эклиптики составляет угол 23°27' (около 23 с половиной градуса) с плоскостью земного экватора. Кроме того, Земля еще вращается вокруг своей оси, в результате чего зенитный угол зависит еще от часового угла.Throughout the year, the Earth describes an elliptical orbit around the Sun. To the observer on Earth, on the contrary, it seems that the Sun moves along the arch of heaven and describes the path called the ecliptic throughout the year. The ecliptic plane makes an angle of 23 ° 27 '(about 23 and a half degrees) with the plane of the earth's equator. In addition, the Earth still rotates around its axis, as a result of which the zenith angle depends on the hour angle.

Таким образом, с учетом изменения склонения Солнца, широты наблюдателя и времени относительно истинного полдня зенитный угол с учетом сферической геометрии определяется по формуле:Thus, taking into account changes in the declination of the Sun, the latitude of the observer and time relative to true noon, the zenith angle, taking into account spherical geometry, is determined by the formula:

Figure 00000006
.
Figure 00000006
.

Склонение орбиты Земли δ, зависящее от даты оценки и времени истинного полдня tp в секундах определяется по актинометрическому справочнику.The declination of the Earth’s orbit δ, depending on the date of the estimate and the time of the true noon t p in seconds, is determined by the actinometric reference book.

С учетом сферичности Земли и атмосферы оптическая масса т@ вычисляется по формуле:Given the sphericity of the Earth and the atmosphere, the optical mass t @ is calculated by the formula:

Figure 00000007
.
Figure 00000007
.

Далее непосредственно определяется спектральный поток солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками с длиной волны λ (для всех длин волн с длинами от 290 до 700 нм с шагом 5 нм) на уровне земной поверхности Fλ,surƒ по формуле:Next, the spectral flux of solar radiation is directly determined taking into account the effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds with a wavelength of λ (for all wavelengths with lengths from 290 to 700 nm in increments of 5 nm) at the earth's surface F λ, surƒ according to the formula:

Figure 00000008
.
Figure 00000008
.

Claims (1)

Способ определения спектральных потоков солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками на уровне земной поверхности, заключающийся в том, что по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляются внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическая масса атмосферы, отличающийся тем, что по данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяются коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками и по формуле
Figure 00000009
определяются спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками.
A method for determining the spectral fluxes of solar radiation, taking into account the effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at the level of the earth's surface, which consists in calculating the extra-atmospheric spectral fluxes of solar radiation, ozone absorption cross sections, attenuation coefficients based on the coordinates of the assessment point, date and time of the assessment solar radiation as a result of scattering by gases, the optical mass of the atmosphere, characterized in that according to the data on the surface pressure, air humidity, the total ozone and at the level of the earth's surface, the total cloudiness score, the average size of cloud and aerosol particles are determined by the turbidity coefficients and attenuation coefficients of solar radiation by atmospheric aerosol and clouds and according to the formula
Figure 00000009
The spectral fluxes of solar radiation are determined taking into account the effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds.
RU2012148734/28A 2012-11-15 2012-11-15 Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level RU2531050C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148734/28A RU2531050C2 (en) 2012-11-15 2012-11-15 Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148734/28A RU2531050C2 (en) 2012-11-15 2012-11-15 Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012148734A RU2012148734A (en) 2014-05-20
RU2531050C2 true RU2531050C2 (en) 2014-10-20

Family

ID=50695650

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012148734/28A RU2531050C2 (en) 2012-11-15 2012-11-15 Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2531050C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101515003B1 (en) * 2014-12-31 2015-04-24 (주)가교테크 Prediction Method of Solar Insolation

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6748327B1 (en) * 2001-10-11 2004-06-08 Larry Watson Method for spatial estimation of solar radiation flux density and other solar correlated meteorological variables

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6748327B1 (en) * 2001-10-11 2004-06-08 Larry Watson Method for spatial estimation of solar radiation flux density and other solar correlated meteorological variables

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Журавлева Т.Б., Фирсов К.М. Алгоритмы расчетов спектральных потоков солнечной радиации в облачной и безоблачной атмосфере / Оптика атмосферы и океана. 2004, т.17, N 11, стр.903-911 *
Зименко П.А. Модельное исследование влияния солнечной активности на газовый состав и тепловой режим атмосферы. Автореф. диссертации на соискание ученой степени. кандидата физико-математических наук. СПб, 2007. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012148734A (en) 2014-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Takemura et al. Single-scattering albedo and radiative forcing of various aerosol species with a global three-dimensional model
Calinoiu et al. Influence of aerosols pollution on the amount of collectable solar energy
Kaskaoutis et al. On the characterization of aerosols using the Ångström exponent in the Athens area
Bilbao et al. Total ozone column, water vapour and aerosol effects on erythemal and global solar irradiance in Marsaxlokk, Malta
Matvienko et al. Complex experiment on studying the microphysical, chemical, and optical properties of aerosol particles and estimating the contribution of atmospheric aerosol-to-earth radiation budget
CN111339665A (en) Troposphere ozone profile calculation method
Kalogirou et al. Statistical analysis and inter-comparison of erythemal solar radiation for Athalassa and Larnaca, Cyprus
Kalapureddy et al. Characterization of aerosols over oceanic regions around India during pre-monsoon 2006
Tomasi et al. Calculations of relative optical air masses for various aerosol types and minor gases in Arctic and Antarctic atmospheres
Lee et al. Influence of cloud fraction and snow cover to the variation of surface UV radiation at King Sejong station, Antarctica
Timofeev et al. Satellite monitoring of the ozonosphere
Tzanis et al. Forest fires pollution impact on the solar UV irradiance at the ground
RU2531050C2 (en) Method of determining spectral streams of solar radiation taking into account effects of absorption and scattering of radiation by aerosols and clouds at earth surface level
Esteve et al. Influence of cloudiness over the values of erythemal radiation in Valencia, Spain
Malinovic-Milicevic et al. Reconstruction of the erythemal UV radiation data in Novi Sad (Serbia) using the NEOPLANTA parametric model
Smith et al. Modelled small-scale crack orientations in Martian surface clasts caused by differential insolation-mobilized water
Lee et al. Atmospheric transmission of ultraviolet and total solar radiation by clouds, aerosols, and ozone in Seoul, Korea: A comparison of semi-empirical model predictions with observations
Eltbaakh et al. Measurements of spectral-band solar irradiance in Bangi, Malaysia
Fujinawa et al. Concept of small satellite UV/visible imaging spectrometer optimized for tropospheric NO2 measurements in air quality monitoring
Clark A null hypothesis for CO2
Liu et al. Algorithm for retrieving surface pressure from hyper-spectral measurements in oxygen A-band
Virolainen et al. Isotopic Composition of Tropospheric Water Vapor in the Vicinity of St. Petersburg
Zhang et al. Reconstruction of daily ultraviolet radiation for nine observation stations in China
Graßl Properties of Arctic Aerosols based on Photometer Long-Term Measurements in Ny-Ålesund
Timofeyev et al. Radiation Transfer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191116