Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 490, № 2, стр. 65-70

Высокоточные расчеты приходящих коротковолновых потоков (КВ) солнечной радиации на поверхности моря принципиальны для достоверных оценок теплового баланса поверхности океана. Начиная с 1984 г. появилось несколько глобальных и региональных массивов спутниковых данных о КВ-потоках [1] и облачности [2], позволяющих оценивать межгодовую динамику КВ-потоков за этот период. Однако для оценки междекадной изменчивости КВ-потоков необходимы использование судовых наблюдений за облачностью и применение интегральных параметризаций, основанных на связи функции пропускания атмосферы от общего балла облачности (ОБО) при различных высотах Солнца. Долговременные расчеты, пусть даже региональные, позволят дополнить реконструкции турбулентных потоков [3] оценками КВ-потоков и оценить изменения теплового баланса океана. Кроме того, использование спутниковых данных об облачности с высоким разрешением позволяет оценить применимость интегральных параметризаций КВ-потоков для различных пространственно-временных масштабов, что принципиально важно при быстром изменении метеорологических условий в средних широтах. В данной работе нами впервые проводятся тестирование применимости одной из наиболее развитых интегральных параметризаций КВ-потоков к использованию спутниковых данных об облачности [2] и сопоставление результатов с высокоразрешающими данными спутниковых измерений КВ-потоков [1].

Нами использована параметризация SAIL [4], основанная на более чем пятилетнем массиве прямых наблюдений за КВ-потоками в различных районах Северной Атлантики. Параметризация SAIL [4] представляет собой так называемую “окта-модель”, в которой приходящий КВ-поток зависит от ОБО в октах, а коэффициент пропускания атмосферы имеет нелинейную зависимость и от высоты Солнца, что важно для корректного описания КВ-потоков при низких углах Солнца. Для тестирования параметризации [4] нами использовались спутниковый массив данных об облачности CLAAS ed.2 [2] и массив спутниковых измерений КВ-потоков SARAH ed.2 [1].

Для адаптации параметризации SAIL к использованию суточных данных в данной работе используется метод так называемого ”виртуального вращения часовой стрелки“, когда мы фиксируем информацию об облачности, а высоту Солнца рассчитываем с определенным шагом (1 час в данной работе) для всего суточного хода локальной астрономии, а среднесуточная величина КВ-потока определяется осреднением. Эти величины далее сравнивались с прямыми измерениями КВ-протоков в спутниковом массиве SARAH ed.2.

Нами оценивались абсолютные разности между рассчитанными КВ-потоками и спутниковыми измерениями в совпадающие моменты времени, а также среднеквадратические отклонения (СКО) расчетных значений КВ-потока от спутниковых данных, характеризующие кумулятивную ошибку расчетов [5]. Расчеты выполнены за 12-летний период с января 2004 по декабрь 2015 гг. Проведение расчетов как над океаном, так и над сушей (учитывая, что спутниковые данные CLAAS ed.2 [2] и SARAH ed.2 [1] доступны над континентами) позволило оценить применимость морских параметризаций для расчетов над континентами. В частности, в работе [6] показано, что параметризации, разработанные по данным наблюдений над континентами, не подходят для морского использования, однако обратного анализа не проводилось.

На рис. 1 показано среднеклиматическое распределение ОБО (основного параметра для расчета КВ-потока) для области покрытия спутником за период 2004–2015 гг. Пространственное распределение, более подробно анализируемое в работе [7], хорошо согласуется с климатологией ОБО [8]. Над океаном ОБО изменяется от 4 окта в тропических районах до 7–8 окт (сплошной облачности) в субполярных областях, характеризующихся интенсивной циклонической активностью, особенно в зимний период [9]. Оценки по данным попутных наблюдений [8] дают несколько меньшие величины, что объясняется эффектом масштабирования как самих индивидуальных наблюдений, так и последующего сеточного осреднения. Так, визуальные наблюдения обычно относятся к видимому горизонту (примерно 15–25 км), тогда как спутниковые наблюдения CLAAS ed.2 [2] имеют меньшее исходное разрешение 0,05 градуса.

Рис. 1.

Распределение общего балла облачности в окта за период 2004–2015 гг.

На рис. 2 показаны абсолютные разности величин КВ-потоков, рассчитанных по параметризации SAIL ОБО по данным CLAAS ed.2 [2] и спутниковых измерений SARAH ed.2 [1]. Над океаном рассчитанные поля КВ-потоков хорошо согласованы с измеренными для всей северной части Атлантики, где систематическая ошибка лежит в пределе ±5 Вт/м² (рис. 2а), а величина СКО хорошо согласуется с характеристиками ОБО в этой части Атлантики. В районах со средним ОБО 4–5 окт величины СКО составляют 20–30 Вт/м² (рис. 3). При такой облачности в тропических областях режим прямых КВ-потоков превалирует над рассеянными КВ-потоками. В то же время при облачности 6–7 окт в среднеширотных и субполярных районах (рис. 1) СКО может достигать 50 Вт/м², что связано с перемежаемостью прямых и рассеянных КВ-потоков. При увеличении ОБО до 8 окт величины СКО уменьшаются до 30–35 Вт/м², что отражает ослабление короткопериодной изменчивости КВ-потоков при сплошной облачности.

Рис. 2.

Систематическая ошибка между параметризацией SAIL и спутниковой базой данных приходящих коротковолновых потоков SARAH ed.2 в Вт/м².

Рис. 3.

Среднеквадратическое отклонение в расчетах между параметризацией SAIL и спутниковой базой данных приходящих коротковолновых потоков SARAH ed.2 в Вт/м².

В целом параметризация SAIL показывает лучшие результаты для Северной Атлантики по сравнению с южной. Это объясняется тем, что при создании параметризации было использовано значительно большее количество данных именно в Северной Атлантике [5]. Отметим, что в восточной части субтропической Южной Атлантики параметризация SAIL серьезно завышает расчетные величины КВ-потоков на величину до 30 Вт/м². Причиной этого, видимо, является существенное влияние облачности нижнего яруса, которое при умеренной облачности 4–6 окт наименее оптически прозрачны для КВ-потоков. В этом контексте следует отметить, что параметризация SAIL в усложненной форме [4] позволяет учитывать типы и высоту нижней кромки облаков, что существенно уменьшает погрешности расчетов для различных облачных режимов, однако выделение режимов облачности, связанных с различными типами, невозможно по данным SARAH ed.2 [1].

Над континентами режимы малооблачного и “чистого” неба (ОБО менее 2–3-х окт), практически не наблюдаемые над Атлантикой [8, 10], хорошо представлены над Африканским континентом в районе пустынь Сахары и Намиб, а также над Аравийским полуостровом. В этих условиях прямой КВ-поток существенно превосходит рассеянный, и параметризация SAIL, разработанная для морских условий, может оказаться эффективной. Рис. 2б показывает, что для районов с малым ОБО СКО расчетов КВ-потоков минимальна – менее 25 Вт/м² для среднесуточных значений. Систематическая ошибка составляет порядка 15 Вт/м², что в целом не хуже, чем над тропическим океаном. Такой результат ожидаем для условий почти чистого неба, когда потоки зависят практически только от высоты Солнца. Некоторое завышение рассчитанных КВ-потоков в отдельных районах над экваториальной Африкой связано с тем, что параметризация SAIL (в виде, используемом в данной работе) не учитывает аэрозольного поглощения КВ-потоков в атмосфере над пустыней [11]. При чистом небе атмосфера над океанами более оптически прозрачна и приходящий КВ-поток на поверхность океана в первую очередь будет определять облачность, а во вторую – влагосодержание столба атмосферы. На рис. 2 показано сильное завышение расчетных величин (до 60 Вт/м²) и СКО КВ-потоков (более 55 Вт/м² для среднесуточных значений) в отдельных экваториальных и тропических районах Африки и Южной Америки. При этом ОБО для этих районов составляет 4–6 окт, однако именно здесь можно говорить о существенно более прозрачных облаках над континентами (в том числе в континентальных областях), чем над океанами. В этих условиях применение параметризации SAIL для расчетов КВ-потоков над континентами не оправдано. Для европейского континента систематическая ошибка составляет примерно –30 Вт/м² и СКО 30 Вт/м², с локальным возрастанием СКО до 60–70 Вт/м² в горных массивах, где параметризация SAIL не учитывает повышенной инсоляции в силу бóльшей оптической прозрачности атмосферы на высотах.

Наша работа показывает, что интегральная параметризация SAIL в целом применима для использования спутниковых данных об облачности. Валидация SARAH ed.2 [12] со станциями BSRN (Baseline Surface Radiation Network) декларирует желаемую точность спутниковых приходящих коротковолновых потоков на уровне 20 Вт/м² для среднесуточных значений. Для бóльшей части Атлантического океана мы приблизились к этой величине, в частности, в районах с относительно невысоким общим баллом облачности. Важно, что при этом систематическая ошибка в этих районах близка к 0 Вт/м². В областях Атлантического океана с режимом облачности, близкой к сплошной, среднеквадратическое отклонение также не превышает 25 Вт/м². В остальных районах эта величина не превышает 50 Вт/м².

Однако оперировать величинами среднеквадратического отклонения без рассмотрения средней величины коротковолновых потоков несколько некорректно. Рисунок 4 показывает отношение среднего коротковолнового потока по данным SARAH ed.2 за период январь 2004–декабрь 2015 гг. к величинам среднеквадратического отклонения расчетных значений коротковолновых потоков по параметризации SAIL. С учетом относительных величин параметризация SAIL хорошо воспроизводит потоки для общего балла облачности менее 5 окт. С продвижением в средние и высокие широты, где общий балл облачности увеличивается и, как следствие, возрастает вариативность облачных режимов, качество расчетов падает. Дальнейшее улучшение параметризации SAIL должно быть направлено на раздельный учет прямого и рассеянного приходящего коротковолнового потока.

Рис. 4.

Отношение среднеквадратического отклонения расчета приходящих коротковолновых потоков по параметризации SAIL к средней величине с потоков по данным SARAH ed.2 в %.