Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Грозовая активность на Востоке Сибири по наблюдениям с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Грозовая активность на Востоке Сибири по наблюдениям с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера"

российская академия наук сибирское отделение институт космофизических исследований и аэрономии им. ю.г.шафера

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ АЛЕКСЕЙ ЕГОРОВИЧ

ГРОЗОВАЯ АКТИВНОСТЬ НА ВОСТОКЕ СИБИРИ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ С ПОМОЩЬЮ ОДНОПУНКТОВОГО ГРОЗОПЕЛЕНГАТОРА-ДАЛЬНОМЕРА

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Якутск, 2005

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

Козлов Владимир Ильич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Григорьев Юрий Михайлович кандидат физико-математических наук, Егоров Николай Егорович

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН

Защита состоится « 22 » июня 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета К 003.023.01 при Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера по адресу: 677890, г. Якутск, проспект Ленина, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера

Автореферат разослан «¡9»

риМ 2005 г.

и.о. Ученого секретаря диссертационного совета К 003.023.01

к ф.-м.н., М. И. Правдин

;/ ч т

Общая характеристика работы:

Актуальность работы:

Грозы относятся к опасным природным явлениям с широким воздействием на деятельность человека и наносят значительный материальный ущерб различным отраслям хозяйства, вызывая пожары, нарушения в работе энергосистем и коммуникаций. Особо актуальна для Якутии проблема лесных пожаров из-за разрядов молний. Большинство лесных пожаров в малонаселенных районах происходят из-за гроз. Пожары в этом случае обнаруживаются очень поздно и поэтому занимают большие площади.

До настоящего времени для пространственного и временного распределения гроз на территории Якутии построены только фоновые карты. Существующие данные по распределению гроз были получены по визуальным и слуховым наблюдениям на метеостанциях и метеопостах Гидрометеослужбы. Можно отметить кратковременные инструментальные измерения с помощью грозовых счетчиков, которые были проведены в отдельных пунктах на юге и западе Якутии. Радиус действия счетчиков до 300 км. Грозопеленгатор-дальномер, использующийся нами, позволяет наблюдать грозы в радиусе до 1500 км и работает с 1993 г. по настоящее время.

Объектом исследования является гроза. Предметом исследования являются пространственное распределение плотности грозовых разрядов на территории Якутии и параметры длительных грозовых комплексов (очагов). Под грозовым комплексом (очагом) мы понимаем совокупность грозовых разрядов с расстоянием между разрядами менее 75 км и продолжительностью грозы более 4 часов.

Методом наблюдения грозовых разрядов служит пассивная однопункто-вая грозолокация, а для выделения грозовых очагов и исследования их параметров использован метод кластерного анализа, алгоритм которого был предложен М. С. Александровым (1992). Дальность до грозового разряда определяется как среднегеометрическая величина из среднеквадратичного значения Е- и

Н-составляющей сигнала атмосферика и количества положительных и отрицательных полупериодов Е-составляющей атмосферика.

Основной целью работы является исследование грозовой активности в Якутии: изучить пространственное распределение грозовых разрядов на территории Якутии по данным регистрации импульсных возмущений электромагнитного поля (атмосфериков), исследовать параметры и поведение грозовых очагов.

Конкретные задачи исследования сводились к следующему: создание методики определения дальности до грозового разряда от пункта наблюдения и разделения межоблачных разрядов от разрядов «облако - земля»;

построение пространственного распределения грозовых разрядов на территории Якутии за период наблюдений 1993-2003 гг.; пространственно-временная кластеризация грозовых разрядов и изучение параметров и поведения мезо-масштабных грозовых комплексов; изучение связи между грозовой активностью и вариациями космических лучей (КЛ). Научная новизна:

Впервые обобщены результаты длительных исследований гроз на территории Якутии с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера и построены карты пространственно! о распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии по инструментальным наблюдениям. Исследованы такие параметры мезо-масштабных грозовых комплексов, как интенсивность грозовых разрядов, скорость перемещения центра, занимаемая площадь и продолжительность жизни.

Впервые рассмотрена связь между интенсивностью атмосфериков и вариациями космических лучей.

Научная и практическая ценность работы:

Разработаны методика определения местоположения разрядов молний

для дальностей до 1500 км, основанная на комбинировании амплитудных и

, „ » '' 1-А 4

- . -4 >

спектральных методов дальнометрии, и методика выделения наземных разрядов. По десятилетним наблюдениям построена карта распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии. Исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов.

Наблюдения за грозовой активностью имеют большую практическую значимость. Полученные карты распределения гроз могут найти применение в различных службах (авиации, защите коммуникаций, линий электропередач и др.). Использование оперативных данных наблюдений за грозами повышает эффективность работ по предупреждению опасных последствий гроз. Организована оперативная передача данных мониторинга гроз заинтересованным ведомствам (Авиалесоохране и МЧС).

На защиту выносятся:

Методика локализации молниевого разряда в пределах 1500 км с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера.

Результаты инструментальных наблюдений грозовой активности, которые выявили неоднородности распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии.

Результаты регистрации грозовых разрядов, позволившие выделить мезо-масштабные грозовые комплексы и определить их параметры: длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь. Обнаружено, что при движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

Результаты исследования связи числа грозовых разрядов с вариациями космических лучей, заключающиеся в установлении эффекта понижения количества грозовых разрядов после усиления интенсивности КЛ и повышения числа разрядов - при ее ослаблении (Форбуш-эффектах).

Личный вклад автора:

Автор принимал участие в постановке задачи и наблюдениях, осуществил обработку экспериментального материала и провел научный анализ полученных результатов.

Апробация работы:

Материалы диссертации были доложены на Международной конференции "Интеркарто-5": ГИС для устойчивого развития территорий (Якутск, 1999), Лаврентьевских чтениях (Якутск, 2001, 2002), Всероссийской конференции «Проблемы физики космических лучей и солнечно земных связей» (Якутск,

2002), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Фундаментальные и прикладные проблемы физики на Севере» (Якутск, 2003), «Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству» (Владимир,

2003), конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2003).

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается большим массивом экспериментальных данных и подтверждается результатами исследований гроз со спутника ОТО NASA;

По теме диссертации опубликовано 7 статей, 10 докладов в трудах конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 106 наименований Работа содержит 147 страниц, в том числе 83 рисунка, 8 таблиц, 29 страниц приложения.

Содержание работы:

В первой главе приведен литературный обзор методов наблюдения и условий возникновения гроз, их физические характеристики

В настоящее время широко применяются радиотехнические методы наблюдения за грозами наземными и спутниковыми системами. В основе назем-

ных наблюдений лежит пеленгация с помощью антенных систем, принимающих импульсные сигналы радиошумов от разрядов молний - атмосферики. Используются однопунктовые или много пун ктовые системы. Более точными являются многопунктовые системы, но они требуют точной синхронизации и развитой инфраструктуры передачи данных. В 1970-1971 гт. А.Х. Филипповым были проведены инструментальные измерения числа разрядов в нескольких пунктах Якутии с помощью грозовых счетчиков. Других инструментальных измерений грозовой активности в Якутии не проводилось. В последние годы стали использоваться спутниковые наблюдения гроз. Преимущество спутниковых систем состоит в том, что они могут дать информацию о грозовой активности на большой территории, но спутники могут регистрировать только максимум до 10% всех разрядов. Кроме того, над территорией северо-востока Азии постоянные спутниковые наблюдения не проводятся. Поэтому использование наземных наблюдений за грозами остается актуальным.

Также в первой главе изложены основные результаты исследований грозовой активности на Востоке Сибири, включая территорию Якутии. Возникновению грозы благоприятствуют: высокое влагосодержание воздуха, большая вертикальная протяженность кучево-дождевых облаков, неустойчивость воздушных масс, наличие орографических неоднородностей. Под грозовым очагом понимается грозоактивная область с расстоянием между последовательными разрядами до 30 км. Характерными единичными образованиями в грозовом очаге являются ячейки, на которые распадается поле конвекции в облаках. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.

Продолжительность грозы в каждом отдельном месте обычно невелика: от минут до нескольких часов. Время жизни грозового очага в Сибири по данным инструментальных наблюдений для внутримассовых гроз - 4 часа, для фронтальных гроз - 9 часов. Если выбрать область наблюдения, соответствую-щюю размеру визуальных наблюдений на метеопостах, то общая продолжи-

тельность гроз на севере Якутии достигает 2-3 часов в год, а на юге - до 38 часов в год. Число молний при сильной грозе измеряется десятками разрядов в одну минуту. Плотность разрядов в Якутии, в зависимости от местности, меняется от 0,5 до 4,2 разр./ км2*год. Распределение числа дней с грозой неравномерно по территории Якутии С увеличением широты число гроз уменьшается и в возвышенных местностях гроз наблюдается больше, чем на равнинах. Суточный ход грозовой активности в Якутии имеет минимум в 6-12 часов местного времени и максимум в 17-20 часов. Наблюдения, проведенные с помощью узкосекторных радиопеленгаторов в Московской и Ленинградской областях, дали значения площадей грозовых очагов от 3 до 300 тыс. км2.

В настоящее время существуют пока только физические сценарии влияния солнечной активности на погоду, в том числе на грозовую деятельность и отдельные экспериментальные наблюдения эффектов проявлений солнечной активности. Установлено, что грозовые радиошумы (флуктуационная составляющая электромагнитного поля) связаны с вариациями интенсивности космических лучей. Распределения вариаций интенсивности радиошумов относительно максимума повышения интенсивности космических лучей и минимума Форбуш-понижений показывают, что в обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыванием на 1 -2 суток. В начале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее усилению KJT, а затем ее повышение, соответствующие Форбуш-понижениям.

Во второй главе описываются используемый пассивный грозопеленга-тор-дальномер и примененные методики исследования параметров грозовых очагов.

Наблюдение за грозами ведется путем регистрации сигналов атмосфериков. Грозопеленгатор-дальномер состоит из двух рамочных магнитных и вертикальной (штыревой) антенн и регистрирующей части. Полоса частот усилителя 0,3 - 60 кГц. Частота дискретизации АЦП - 250 кГц Длительность анализируемой реализации выбрана равной 3 мс.

Направление на грозовые разряды а определяется по отношению среднеквадратичных значений сигналов атмосфериков Uc ю , и UB.3 „ поступающих с ортогональных магнитных антенн. Неоднозначность пеленга устраняется путем сопоставления знаков взаимной корреляции электрической и магнитных компонент сигнала.

Дальность (L) до грозового разряда определяется как среднегеометрическая величина четырех регистрируемых параметров: количество положительных (N+) и отрицательных (N) полупериодов Е-составляющей атмосферика и среднеквадратичные значения Е-составляющей (Еср кв) и Н-составляющей (Нсркв). превосходящих уровень, равный 0,1 максимальной величины сигнала атмосферика:

L=D((N+* N)/(Еср „ * Нср J)0-5,

где D - нормировочный коэффициент; Еср кв =(2(E,-Ecp)2/n)05; Е, - п оцифрованных АЦП значений Е-составляющей атмосферика, Еср - среднее значение Е-составляющей в течение той миллисекунды, в которой зарегистрирован атмосферик.

Для разделения наземных и межоблачных разрядов анализируется спектр атмосферика и определяется частота, для ко юрой сумма спектральных плотностей ниже этой частоты равна сумме спектральных плотностей выше нее. Разряды, имеющие частоту больше пороговой, отбраковываются, как межоблачные. Данный метод применялся при регистрации атмосфериков до 2000 г., когда в грозопеленгатор составной частью входил спекгроанализатор СК4-72. Второй путь разделения наземных и межоблачных разрядов используется с 2000 г. - рассчитывается коэффициент автокорреляции сигналов, снимаемых с Е-антенны, при сдвиге в 8 мксек (частота дискретизации АЦП составляет 250 кГц). Атмосферики, имеющие коэффициент автокорреляции, превышающий заданный порог, рассматриваются, как вызванные молниевыми разрядами облако-земля.

Для объединения разрядов в очаги использован кластерный анализ. Рас-матривалась проекция грозового облака на землю в течение часа. Грозовой ячейкой считается кластер с удалением между разрядами 50 км, в который за один час попало не менее трех разрядов. За очаги принимаются те кластеры, в которые в течение часа попало не менее шести разрядов с максимальным удалением между разрядами 75 км. Центр очага представляет собой «центр тяжести» кластера: Хц=(1/п) ИХ,; Уц=(1/п) Разница в расположении центра очага в течение двух последовательных часовых выборок характеризует смещение очага в течение часа: Б^Хг-Х^2 + (Уг-УО2)0,5- Для нахождения площади очага, вычисляется дисперсия удаленности элементов данного кластера от его центра.

Скорость смещения центра активности грозового очага от часа к часу определяется не только перемещением грозовых облаков, но и перемещением центра активности внутри очага. Средняя скорость движения грозового очага вычисляется по времени жизни очага, учитывая расстояние, соединяющее точки в пространстве в начале и в конце времени существования очага.

Всего проанализировано 105 мощных (мезо-масштабных) грозовых очагов (с длительностью существования более 4 часов): за июль 1993 г. - 30, август 1993 г. - 35 и июнь 2001 г. - 40. Отметим, что систематические наблюдения грозовой активности в Якутии с помощью однопунктового пеленгатора-дальномера, начавшиеся в 1993 году, в 1993, 1994 и 2001-2003 гг. осуществлялись круглосуточно, а в период 1996 - 2000 гг. - в шестичасовых интервалах около максимума грозовой активности (17-18 часов). В 1995 году наблюдения не проводились.

Для рассмотрения связи вариаций грозовой активности с вариациями космических лучей рассмотрено воздействие наиболее характерных вариаций КЛ, к которым относятся повышение интенсивности КЛ и Форбуш-понижения. Для увеличения статистики и площади обзора были использованы данные приема атмосфериков чувствительным регистратором радиоимпульсов. Рамочная антенна этого регистратора ориентирована в направлении восток-запад. Летние месяцы исключены из рассмотрения из-за больших флуктуации потока

атмосфериков, обусловленных ближними грозами. Порог регистрации выбран таким образом, что частота регистрируемых атмосфериков в суточном дневном максимуме составляла ~1 сек"1. Выбранный порог позволяет принимать атмо-сферики с расстояний до 4000-6000 км. С учетом диаграммы направленности антенны и выбранного порога в весенне-осенние сезоны в Якутске регистрируются атмосферики с предгорий Кавказа, полуострова Индостан, побережий Татарского пролива и севера Японского моря. Учитывая пороговые дальности, исключены из рассмотрения также зимние месяцы (резкое уменьшение гроз зимой на этих расстояниях приводит к большим флуктуациям потока атмосфериков).

Использован метод наложения эпох вариаций потока атмосфериков относительно максимума усиления и ослабления (Форбуш-понижений) потока космических лучей Для анализа отобраны случаи возрастания КЛ по следующим критериям: продолжительность усиления должна быть не менее 5 дней, причем его амплитуда должна превышать среднеквадратичное отклонение от среднемесячного значения потока космических лучей. Из рассмотрения исключены события, следующие друг за другом менее чем через 7 дней. Использованы данные по космическим лучам, размещенные на http://cosmicrays.oulu.fi и http://helios.izmiran.troitsk.ru/cosray/events.htni. Отобраны события Форбуш-понижений с амплитудой более 2%. Аналогично случаям возрастания потока исключены события, следующие друг за другом менее чем через 7 дней. В целом для анализа отобраны 9 случаев повышения интенсивности КЛ и 16 случаев Форбуш-понижений. Перед использованием метода наложения эпох исходные данные по потоку атмосфериков были нормированы в каждом событии на максимальное значение в эпохе.

Выводы: разработана методика определения месторасположения разряда молнии для дальностей до 1500 км, основанная на комбинировании амплитудных и спектральных методов дальнометрии и методика выделения разрядов облако-земля на основе анализа спектра принимаемого сигнала атмосферика.

В третьей главе приведены результаты исследования грозовой активности в Якутии в период 1993-2003 гг.

Пространственные распределения плотности грозовых разрядов (суммарное число разрядов за единичный интервал времени приходящееся на кв. км) строились в полярных координатах с размерами элементов 80 км по дальности и 10 град, по азимуту. С учетом дальномерной ошибки - 15%, максимальная ошибка определения потока атмосфериков в отдельных элементах, составляющая 50%, приходится на периферийную часть и соответствует случаю движения грозового очага вдоль азимутальных границ секторов. Азимутальная ошибка приводит к погрешности измерения потока атмосфериков менее 15%. Внутри области с радиусом 160 км амплитуда сигналов превышает заданный порог (ограничивается диапазоном АЦП). Поэтому для этой области подсчитывалось общее количество разрядов и распределение плотности разрядов принято равномерным. Используемый пеленгатор позволяет строить карту распределения плотности грозовых разрядов с градациями по плотности в 1,5-2 раза с погрешностью меньше 40%.

Суточный ход трозовой активности в Якутии представляет собой простую волну с минимумом в утренние часы с 6 до 12 местного времени и максимумом в 17-20 часов Максимум во второй половине дня обусловлен созданием блах оприятных условий для развития гроз.

Грозы в Якутии начинаются в конце мая - начале июня. В июле их число достигает максимума, после чего в большинстве сезонов достаточно резко затухает к сентябрю. Интенсивность грозовых разрядов в июле в 2-3 раза выше, чем в июне и августе. Рассмотрение метеоусловий показало, что периоды усиления активности были связаны с проявлением циклонической деятельности. Таким образом, в Якутии преобладает фронтальная грозовая активность. Но при этом, следует говорить не столько о передвижении грозовых очагов, сколько о перемещении вместе с циклоном условий для развития гроз.

Полученные пространственные распределения плотности грозовых разрядов в целом говорят о том, что число гроз больше в юго-восточной части

Среднесибирского плоскогорья (западная часть междуречья Лены, Вилюя и Нижней Тунгуски), на Алданском нагорье и в предгорьях хребтов на юге и востоке Якутии. Еще один небольшой максимум наблюдается к северу от Якутска в юго-западных предгорьях Верхоянского хребта. Все эти три максимума обнаруживаются также в данных спутниковой системы наблюдения гроз ОТО (1995-99 гг.) Центральная равнинная часть Якутии имеет пониженную грозовую активность, в основном, благодаря особенностям климата Плотность разрядов в Якутии, в зависимости от местности, меняется от 0,5 до 4,5 разр / км2*год(Рис. 1).

Рис 1. Пространственное распределение плотности грозовых разрядов на территории Якутии (1993-2003 г.г.). Плотность разрядов дана в разрядах на кв.км. в час (х 105)

Основной причиной неоднородности распределения плотности грозовых разрядов по долготе является рельеф местности, определяющий различие условий развития грозовых очагов. Как правило, гроз много либо в предгорьях, либо в местностях с резким изменением высот (но ниже высоты 500 м) Причиной

120° 130°

140°

150°

120°

130°

грозовой активности в западных и южных областях является также, по-видимому, влияние западного переноса воздушных масс, встречающего неоднородности рельефа. Этот перенос ограничивается Верхоянским хребтом и системой хребтов в юго-восточной части Якутии.

Распределение плотности грозовых разрядов по широте, в общем, подчиняется географическому закону - в северной части Якутии число гроз существенно меньше, чем в южной. Особенно ясно это выражено восточнее 130-го меридиана, то есть восточнее Верхоянского хребта. С параллели 56° с. ш. до параллели 68° плотность разрядов падает в 10 раз. Западнее 122° в. д. широтная зависимость нарушена из-за воздействия орографии.

В горных районах пространственное распределение имеет ряд особенностей Горизонтальные потоки воздуха, встречая на пути преграды, меняют направление и возникают восходящие потоки. В результате подъема воздушные массы охлаждаются и образуются грозовые облака. Таким образом, в распределении плотности грозовых разрядов возникает высотная поясность, барьерный эффект (западные предгорья Верхоянского хребта) и эффект межгорных понижений. Увеличение гроз в западных предгорьях Верхоянского хребта между 65 и 68-ми параллелями, наблюдаемое практически во все годы, вызвано так называемым эффектом подпруживания наветренного склона. Таким образом, можно говорить о повышении в среднем грозовой активности в 2-4 раза на возвышенностях в высотном поясе 200-500 м., в долинах рек, текущих в предгорьях хребтов, и в межгорных понижениях в высотном поясе 200-2000 м. На этих же высотах наблюдается увеличение осадков, но распределение количества осадков не совпадает с распределением плотности грозовых разрядов. Например, увеличение осадков наблюдается по обе стороны Верхоянского хребта, а увеличение гроз - преимущественно на западном склоне. То есть в распределении гроз более выражен эффект подпруживания и слабо проявляется эффект подветре-ной тени В то же время в ряде межгорных понижений также наблюдается повышенная грозовая активность, соответствующая подобному эффекту в осадках. Например, между хребтами Сетте-Дабан и Сунтар-Хаята, Кюэлляхский и

Усть-Вилюйский. В горных восточных районах в силу засушливости климата летом уровень конденсации паров находится на столь большой высоте, что восходящие потоки воздуха, возникающие при встрече с горами, не достигают этой высоты и, соответственно, не приводят к образованию грозовых облаков. Этим объясняется меньшая грозовая активность в горной восточной части Якутии по сравнению с активностью на возвышенностях запада Якутии.

На наблюдаемой площади (-3,14 млн.кв.км.) число регистрируемых разрядов в июле (максимум грозовой активности) меняется от 10 (ночью) до 2000 разрядов в час. В среднем ежедневно в июле основное число атмосфериков появляется в 6 мощных грозовых очагах. Число атмосфериков, обусловленных отрицательными разрядами «облако-земля», приблизительно в 1,2 - 1,5 раза превосходит число атмосфериков, обусловленных положительными разрядами, что соответствует литературным данным по соотношению полярности атмосфериков.

Во время наиболее мощной грозовой активности регистрировалось до 3500 разрядов в час. В 95 % случаев сигнал атмосфериков содержит 1-7 периодов (максимальное число атмосфериков имеет 3 периода). Атмосферики, имеющие более десяти периодов, нами трактовались как лидерные и отбраковывались.

Посредством кластерного анализа было установлено, что грозовые очаги состоят из 2-10 ячеек Наиболее часто очаг состоит из 4-х ячеек. Наблюдения показали, что за час в ячейке бывает в среднем 20 разрядов. Средняя длительность существования грозовых очагов составила -5 часов. При этом надо учесть, что разброс длительности составлял от одного часа до полутора суток. Около 80 % всех очагов существуют менее 2 часов. Длительность гроз была разделена на три стадии: начальная, средняя и заключительная Было получено, что интенсивность грозовых разрядов в очаге меняется (в 78% случаев) от 60 разр./час в начальной стадии до 100 разр./час в средней стадии и снижается до 40 разр./час в заключительной В 12% событий максимум наблюдается в последней стадии и в 10% - в первой стадии. Количество же ячеек в очаге, в сред-

нем, изменяется от 2 на начальной и конечной стадиях до 7 в средней стадии развития грозовых очагов.

Интенсивность разрядов на 100 км2 в час I изменяется от 0,04 до 14. Но основная масса (90% значений) находится в диапазоне от 0,1 до 7 разр./100 км2 в час. С увеличением площади очагов 5 интенсивность разрядов падает как / = 168 5"0 68 (от 6 при 5 = 100 км2 до 0,3 при Б =10000 км2). При дальнейшем увеличении площади очагов интенсивность остается в среднем неизменной. Падение интенсивности разрядов с увеличением площади очага, вероятно, объясняется увеличением пространств между грозовыми тучами, где разряды отсутствуют

В среднем, мощные (длительные) грозовые очаги на начальной и конечной стадии занимают площадь -6000 км2 и -12000 км2 на средней стадии. Половина всех очагов с продолжительностью более 4 часов имеют радиус менее 45 км. Подобные значения площадей грозовых очагов (3-300 тыс. км2) и интенсивности разрядов в них наблюдались в Московской и Ленинградской областях с помощью узкосекгорного регистратора атмосфериков.

Центры очагов за час смещаются в среднем на 50-100 км. Однако перемещение очага внутри часового отрезка и от часа к часу происходит, как правило, хаотически и объясняется изменением активности различных участков очага. Общее расстояние, проходимое очагом за время его жизни (-5 часов), составляет в среднем около 220 км, следовательно, грозовой фронт движется со средней скоростью 44 км/час. Чаще всего очаги «кружатся» вокруг места зарождения, сильно не удаляясь от него. Лишь в редких случаях их движение носит направленный характер.

Таким образом, можно сделать вывод, что иногда наблюдаемое большое перемещение центров очагов от часа к часу объясняется смещением центра тяжести грозовой активности внутри очага, в то время как сам очаг движется значительно медленнее. При движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, а предыдущие обычно медленно затухают, что проявляется как псевдодвижение очагов. Мощные грозовые очаги могут существовать практи-

чески на одном месте в течение нескольких суток подряд, затухая в ночное время.

Космические лучи (КЛ), воздействуя на атмосферу Земли, являются одним из факторов, который влияет на изменения грозовой активности.

Проведенный анализ показал, что в случаях усиления КЛ происходит понижение числа атмосфериков через 1-2 дня после ключевого дня (максимума интенсивности КЛ), которое составляет около 40% относительно их уровня в интервале -5 + -1 день, а на 4-ый день - повышение на 15%. Общий размах наблюдаемого эффекта составляет 87%. В случае Форбуш-понижений наблюдается ослабление потока атмосфериков, которое составляет -25% в интервале от -2 дня до нулевого дня относительно уровня в предшествующем интервале -5 + -3 дня. Дальнейшее повышение числа атмосфериков на 27% происходит на 2-й день после ключевого дня. Размах наблюдаемого эффекта составляет 72%. В обоих случаях эффект в вариациях потока атмосфериков запаздывает на два дня относительно изменений потока космических лучей.

На рис. 2 представлены распределения вариаций потока атмосфериков относительно дней максимумов возрастания потока космических лучей (рис 2а) и дней минимума в Форбуш-понижениях (рис. 26). Значимые отклонения средних значений потоков видны как в одном, так и в другом распределении. При этом эффекты в обоих случаях имеют двухфазный характер. Как видно из рис. 2а, понижение числа атмосфериков следует за усилением потока космических лучей, а за Форбуш-понижениями, наоборот, - повышение (рис. 26).

В использованных массивах есть лишь два события, когда наблюдалось большое усиление потока космических лучей с последующим значительным Форбуш-понижением. Один из этих случаев, наблюдавшийся 20-30 сентября 2001 г., представлен на рис. 2в. За нулевой день здесь выбран день минимума (8%). Максимум усиления космических лучей наблюдался за 3-е суток до нулевого дня. Этот случай позволяет проиллюстрировать последовательность двухфазового эффекта, наблюдаемого в импульсной составляющей ОНЧ-шумов. Усиление космических лучей приводит к спаду грозовой активности в течение

несколько суток. Последующее Форбуш-понижение приводит к активизации гроз.

N

Рис. 2. Вариации нормированного потока атмо-сфериков относительно дней максимумов возрастаний интенсивности космических лучей (а) и дней минимумов в Фор-буш-понижениях (б). Вариации числа атмосфери-ков в событии с большим усилением интенсивности космических лучей и последующим значительным Форбуш-понижением 2030.09.2001г. (в).

Выводы:

По 10-летним данным инструментальных наблюдений грозовой активности построена карта плотности грозовых разрядов и выявлены неоднородности пространственного распределения гроз на территории Якугии, определяющим фактором которого является орография местности.

Выделены мезо-масштабные грозовые комплексы и определены их параметры: длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь.

Установлена связь изменений числа грозовых разрядов с вариациями интенсивности космических лучей. Анализ вариаций интенсивности атмо-сфериков относительно повышения КЛ и минимума Форбуш-понижений КЛ показывает, что в обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыва-

18

нием на 1-2 суток В начале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее усилению КЛ, а затем ее повышение, соответствующие Фор-буш-понижениям.

В Заключении сформулированы основные результаты:

1. Среди эмпирических методов определения дальности до грозового разряда, основанных на анализе параметров широкополосного сигнала атмосфериков, выделен их набор, обеспечивающий наибольшую точность. Дальность до грозового разряда определяется как среднегеометрическая величина из четырех регистрируемых параметров: среднеквадратичных значений Е- составляющей и Н-составляющей сигнала атмосферика и количества положительных и отрицательных полупериодов Е-составляющей атмосферика, превосходящих уровень, равный 0,1 максимальной величины сигнала атмосферика.

2. Предложены два способа разделения наземных и межоблачных разрядов. Первый - по спектру атмосферика определяется частота, для которой сумма спектральных плотностей ниже этой частоты равна сумме спектральных плотностей выше нее, и если эта частота больше пороговой, то такие разряды отбраковываются, как межоблачные. Второй способ - расчет коэффициента автокорреляции при заданном сдвиге. Атмосферики, имеющие коэффициент автокорреляции, превышающий пороговое значение, рассматриваются, как вызванные разрядами «облако-земля».

Г 3. По данным многолетних инструментальных наблюдений установлены

неоднородности пространственного распределения гроз на территории Якутии, » определяющим фактором которых является орография местности.

4. Распределение плотности грозовых разрядов, в общем, подчиняется географическим законам: широтная зависимость, высотная поясность, барьерный эффект и эффект межгорных понижений.

5. Суточный ход грозовой активности в Якутии имеет минимум в утренние часы с 6 до 12 местного времени и максимум в 17-20 часов.

6. По результатам регистрации грозовых разрядов исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов (длительность, интенсивность раз-

рядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь). Мезо-масштабные комплексы с диаметром от 50 до 400 км имеют интенсивность 0,2 разряда/ 100 кв. км, существуют до 20 часов и движутся со скоростью -40 км/час. При движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо- масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

7 Установлена связь изменений числа грозовых разрядов (атмосфери-ков) с вариациями интенсивности космических лучей. Построенные распределения вариаций интенсивности атмосфериков относительно максимума повышения интенсивности KJI и минимума Форбуш-понижений показывают, что в

«

обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыванием на 1-2 суток. Вначале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее усиление KJI, а затем ее повышение, соответствующие Форбуш-понижениям. '

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Муллаяров В.А., Козлов В.И., Васильев А.Е. Пространственные распределения гроз на территории Якутии // ГИС для устойчивого развития территорий: Материалы международной конференции "Интеркарто-5". - Якутск, 1999,- С. 171-175.

2. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А.Е. Узкосекторная пеленгация источников шумов ОНЧ сигналов // Известия вузов. Радиофизика, 2000. - Т.

ХЬШ, №11. - С. 1-4. <

3. Васильев А.Е. Пеленгационные исследования грозовой активности на территории Якутии // Наука и образование. - Якутск, 2000. №4. - С.21-23.

4. V.l. Kozlov, V.A. Mullayarov, А.Е. Vasilyev. Narrow-sector finding of VLF-noise radiation sources // Radiophysics and Quantum Electronics, 2000. - Vol. 43, No.ll.-P. 858-861.

5. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А.Е. Характеристики грозовых очагов по инструментальным наблюдениям в Якутии в 1993 - 2001 гг. // Метеорология и гидрология, 2003. №2. - С. 39-45.

6. Васильев А.Е., Козлов В.И., Муллаяров В.А. Связь атмосфериков с вариациями космических лучей // Геомагнетизм и аэрономия, 2003. - Т. 43, №6. -С.851-853.

7. Муллаяров В.А., Козлов В.И., Каримов P.P., Васильев А Е Проявление вариаций космических лучей в грозовой активности // Сборник научных трудов Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству. - Владимир, 2003. - С.60.

8. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А.Е. Инструментальные наблюдения гроз в Якутии в 1993-2001 гг. // Сборник научных трудов Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству. - Владимир, 2003. - С. 328.

9. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А Е. Узкосекторная пеленгация грозовых радиошумов // Сборник научных трудов Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству. - Владимир, 2003 - С. 331.

10. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А Е. Интенсивность грозовых разрядов и вариации космических лучей // Материалы Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии». - Томск, 2003. - С. 372.

11. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А.Е. Грозы в Якутии в 1993-2001 гг. по инструментальным наблюдениям // Материалы Международной конфе-

г ренции «Современные проблемы физики и высокие технологии» - Томск,

2003.-С. 375.

12. Васильев А.Е., Козлов В.И., Муллаяров В А. Связь интенсивности атмосфе-

«

риков с вариациями космических лучей // Наука и образование - Якутск,

2004. №1.-С. 43-45.

13. Васильев А.Е. Наблюдения гроз в Якутии в 1993-2001 гг // Динамика сплошной среды. Доклады Всероссийской школы-семинара «Фундаментальные и прикладные проблемы физики на Севере». - Новосибирск, 2004 Вып. 122. - С.44-49.

14. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Васильев А.Е. и др. Грозы в Якутии и их влияние на магистральные трубопроводы // Наука и образование. - Якутск. 2005. №1.- С.61-66.

Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.пл. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 63.

Учреждение «Издательство ЯНЦ СО РАН»

677891, г Якутск, ул. Петровского, 2, тел./факс: (411-2) 36-24-96 E-mail: kuznetsov@psb.ysn.ru

г 0 128"

РНБ Русский фонд

2006-4 6934

K-f

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Васильев, Алексей Егорович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Гроза. Физика формирования грозы. Исследование грозы

1.1.1. Физика формирования грозы

1.1.2. Пространственное распределение гроз

1.1.3. Продолжительность гроз

1.1.4. Площадь гроз

1.1.5. Количество разрядов в очаге

1.1.6. Движение грозовых очагов

1.2. Связь грозовой деятельности с активностью Солнца 32 Выводы

ГЛАВА II. РЕГИСТРИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Регистрирующий комплекс

2.2. Методика дальнометрии

2.3. Выделение грозовых очагов. Кластерный анализ. Определение параметров грозовых очагов

2.4. Метод нахождения связи между вариациями космических лучей и грозовой деятельностью

Выводы

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЯ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ЯКУТИИ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНОГО

ГРОЗОПЕЛЕНГАТОРА - ДАЛЬНОМЕРА С 1993 ПО 2003 ГГ.

3.1. Суточные и сезонные вариации

3.2. Пространственное распределение грозовых разрядов в 1993

3.3. Параметры грозовых очагов

3.4. Связь грозовой деятельности с вариациями космических лучей 100 Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Грозовая активность на Востоке Сибири по наблюдениям с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера"

Исследование гроз связано, прежде всего, с обеспечением безопасности жизнедеятельности человека. С развитием человеческой цивилизации и технической оснащенности жизни человека, явления природы несут угрозу и для человека и для его искусственной среды. В том числе, это относится и к грозам. В первую очередь, грозы угрожают линиям электропередач.

Также известны поражения ударом молнии летательных аппаратов, что, в лучшем случае, приводило к выходу из строя системы навигации. Были зафиксированы случаи потери спутников во время их запуска.

Особо опасны грозы в Сибири и на Дальнем Востоке. Это проявляется в том, что значительная часть лесных пожаров происходит из-за разрядов молний. Учитывая огромную территорию и малонаселенность региона, такие пожары обнаруживаются очень поздно, и наносится огромный ущерб лесным массивам и экологической обстановке.

По результатам исследований в России и за рубежом установлено, что в зависимости от местности и сезона до 50 % лесных пожаров может быть обусловлено грозовыми разрядами на малонаселенных территориях Российской Федерации. На территории же Якутии отмечаются годы с существенно большей вероятностью возгорания лесов от гроз. Можно отметить, например, что в 1991 году свыше 60% лесных пожаров имели грозовую природу, а в 1995 году - почти 70%. Все это определяет проблему изучения грозовой активности, как одну из важнейших в экологии и рациональном природопользовании. Поэтому большое внимание уделяется средствам наблюдения и прогнозирования грозовых явлений.

Актуальность работы:

Грозы относятся к опасным природным явлениям с широким воздействием на деятельность человека и наносят значительный материальный ущерб различным отраслям хозяйства. Особенную опасность представляют грозы для энергосистем и различных коммуникаций. Для отключений, отнесенных к грозовым, с помощью сети 81ЖУА обнаружены разряды в землю в пределах 16 км от линии и в пределах ± 1 мин от времени отключения. Такие разряды были зарегистрированы также для отключений по неизвестным причинам. Поэтому изучение грозовой деятельности является важным для обеспечения грозозащиты различных объектов и в первую очередь энергосистем.

Особо актуальна проблема лесных пожаров, возникающих из-за разрядов молний. Грозы на территории Якутии, несмотря на то, что они проявляются только в течение трех летних месяцев, приносят значительный ущерб хозяйству региона. Большинство лесных пожаров в труднодоступных районах происходят из-за гроз. Пожары в этом случае обнаруживаются очень поздно и поэтому занимают большие площади. Экологический ущерб от лесных пожаров усугубляется также продуктами горения биомассы, приводящими к значительному загрязнению атмосферы и изменению ее химического состава.

До настоящего времени для пространственного и временного распределения гроз на территории Якутии построены только фоновые карты. Существующие данные по распределению гроз были получены по визуальным и слуховым наблюдениям на метеостанциях и метеопостах Гидрометеослужбы. Радиус площади при визуальном наблюдении составляет до 15 км. Для районов, где нет метеостанций, проводятся интерполяционные оценки грозовой активности. Следовательно, затрудняется получение объективной картины грозовой активности на обширной территории.

Перед автором стояли задачи - изучить пространственное распределение грозовых разрядов на территории Якутии и исследовать параметры и поведение грозовых очагов. Конкретные задачи сводились к следующему:

- создание методики дальнометрии до грозовых разрядов от пункта наблюдения и разделения межоблачных и разрядов облако - земля;

- построение пространственного распределения грозовых разрядов на территории Якутии в период наблюдений 1993-2003 гг.;

- пространственно-временная кластеризация грозовых разрядов и изучение параметров и поведения мезо-масштабных грозовых комплексов;

- изучение связи между грозовой активностью и вариациями космических лучей (КЛ).

Научная новизна:

Впервые обобщены длительные исследования распределения гроз на территории Якутии с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера и построены карты пространственного распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии по инструментальным наблюдениям. Исследованы такие параметры мезо-масштабных грозовых комплексов, как интенсивность грозовых разрядов, скорость перемещения центра, занимаемая площадь и продолжительность жизни.

Впервые для Якутии рассмотрена связь между интенсивностью атмосфериков и вариациями космических лучей.

Научная и практическая ценность работы:

Разработана методика определения местоположения разряда молнии для дальностей до 1500 км, основанная на комбинировании амплитудных и спектральных методов дальнометрии и методика выделения наземных разрядов. По десятилетним наблюдениям построена карта распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии. Исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов.

Наблюдения за грозовой деятельностью имеет огромную практическую значимость. Полученные карты распределения гроз могут найти применение в различных службах, обеспечивающих безопасность в таких областях, как корректировка полетов авиации, защита коммуникаций, линий электропередач и др. Использование оперативных данных наблюдений за грозами повышает эффективность работ по предупреждению опасных последствий гроз.

Организована оперативная передача данных мониторинга гроз заинтересованным ведомствам (Авиалесоохране и МЧС).

На защиту выносятся:

- Методика локализации молниевого разряда в пределах 1500 км с помощью однопунктового пассивного грозопеленгатора-дальномера.

- Результаты инструментальных наблюдений грозовой активности, которые выявили неоднородности распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии.

- Результаты регистрации грозовых разрядов, позволившие выделить мезо-масштабные грозовые комплексы и определить их параметры: длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь. Обнаружено, что при движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

- Результаты исследования связи числа грозовых разрядов с вариациями космических лучей, заключающиеся в установлении эффекта понижения количества грозовых разрядов после усиления интенсивности КЛ и повышения числа разрядов - при ее ослаблении (Форбуш-эффектах).

Личный вклад автора:

Автор принимал участие в постановке задачи и наблюдениях, осуществил обработку экспериментального материала и провел научный анализ полученных результатов.

Апробация работы:

Материалы диссертации были доложены на Международной конференции "Интеркарто-5": ГИС для устойчивого развития территорий (Якутск, 1999); Лаврентьевских чтениях (Якутск, 2001, 2002); Всероссийской конференции «Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей» (Якутск. 2002); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Фундаментальные и прикладные проблемы физики на Севере» (Якутск, 2003); «Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству» (Владимир, 2003); конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2003).

По теме диссертации опубликовано 7 статей и 10 тезисов докладов конференций.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 106 наименований. Работа содержит 147 страниц, в том числе 83 рисунка, 8 таблиц, 29 страниц приложения.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Васильев, Алексей Егорович

Выводы:

Суточный ход грозовой активности в Якутии представляет собой простую волну с минимумом в утренние часы с 6 до 12 местного времени и максимумом в 17-20 ч.

Грозы в Якутии начинаются в конце мая — начале июня. В июле их число достигает максимума, после чего в большинстве сезонов достаточно резко затухает к сентябрю. Интенсивность грозовых разрядов в июле в 2-3 раза выше, чем в июне и августе.

Используемый пеленгатор позволяет строить карту распределения плотности грозовых разрядов с градациями по плотности в 1,5-2 раза и погрешности этой карты, вызванные аппаратурой, меньше 40%.

Полученные пространственные распределения плотности грозовых разрядов в целом говорят о том, что число гроз больше в юго-восточной части Среднесибирского плоскогорья (западная часть междуречья Лены, Вилюя и

Нижней Тунгуски), на Алданском нагорье и в предгорьях хребтов на юге и востоке Якутии. Центральная равнинная часть Якутии имеет пониженную грозовую активность в основном благодаря меньшему облачному покрову. Плотность грозовых разрядов в Якутии в зависимости от местности меняется от 0,5 до 4,5 разр./ км *год.

Основной причиной неоднородности распределения плотности грозовых разрядов по долготе является рельеф местности, определяющий различие условий развития грозовых очагов. Причиной активности западных и южных областей является также, по-видимому, западный перенос воздушных масс, встречающий неоднородности рельефа. Этот перенос ограничивается Верхоянским хребтом и системой хребтов в юго-восточной части Якутии.

Распределение плотности грозовых разрядов по широте, в общем, подчиняется географическому закону - в северной части Якутии число гроз существенно меньше, чем в южной. В горных районах пространственное распределение имеет ряд особенностей. Горизонтальные потоки воздуха, встречая на пути преграды, меняют направление, и возникают восходящие потоки. В результате подъема воздушные массы охлаждаются, и образуются грозовые облака. Таким образом, в распределении плотности грозовых разрядов возникает высотная поясность, барьерный эффект (западные предгорья Верхоянского хребта) и эффект межгорных понижений (между хребтами Сетте-Дабан и Сунтар-Хаята, Кюэлляхский и Усть-Вилюйский).

В 95 % случаев сигнал атмосфериков содержит 1-7 периодов (максимальное число атмосфериков имеет 3 периода).

Количество атмосфериков, рожденных отрицательными разрядами «облако-земля», приблизительно в 2 раза превосходит число атмосфериков, рожденных положительными разрядами.

Грозовые очаги состоят из 2-10 ячеек. Наиболее часто очаг состоит из 4-х ячеек. За час в ячейке бывает в среднем 20 разрядов. Разброс длительности существования грозы составляет от одного часа до полутора суток. Около 80 % всех очагов существуют менее 2 ч.

Интенсивность грозовых разрядов в очаге меняется (в 78% случаев) от 60 разр./ч. в начальной стадии до 100 разр./ч. в средней стадии и снижается до 40 разр./ч. в заключительной. В 12% событий максимум наблюдается в последней стадии и в 10% - в первой стадии. Количество же ячеек в очаге в среднем изменяется от 2 на начальной и конечной стадиях до 7 в средней стадии развития грозовых очагов. Интенсивность разрядов на 100 км2 в час изменяется от 0,04 до 14. Но основная масса (90% значений) находится в диапазоне от 0,1 до 7 разр/100 км в час. В очагах с меньшими площадями интенсивность разрядов больше, чем в более крупных очагах. С увеличением площади очагов интенсивность разрядов падает от 6 при 100 км2 до 0,3 при 10000 км2. При дальнейшем увеличении площади очагов интенсивность остается в среднем неизменной.

По результатам регистрации грозовых разрядов исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов (длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь). Мезо-масштабные комплексы с диаметром от 50 до 400 км имеют интенсивность 0,2 разряда/ 100 кв. км, существуют до 20 ч. и движутся со скоростью -40 км/ч. При движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

Установлена связь изменений количества грозовых разрядов с вариациями интенсивности космических лучей. Построенные вариации интенсивности атмосфериков относительно максимума потока космических лучей и минимума Форбуш-понижений показывают, что в обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыванием на 1-2 суток. В начале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее повышению КЛ, а затем ее повышение, соответствующие Форбуш-понижениям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика дальнометрии грозового разряда. Дальность до грозового разряда определяется как среднегеометрическая величина из четырех регистрируемых параметров: среднеквадратичных значений Е- и Н-составляющей сигнала атмосферика и числа положительных и отрицательных полупериодов Е-составляющей атмосферика, превосходящих уровень, равный 0,1 максимальной величины сигнала атмосферика.

2. Определена пороговая частота для разделения наземных и межоблачных разрядов. Проанализирован спектр атмосферика (1993-1995 гг.) и определена частота, для которой сумма спектральных плотностей левее этой частоты равна сумме спектральных плотностей правее нее. Разряды, имеющие частоту больше пороговой (~15 кГц), отбраковываются как межоблачные. Второй путь разделения наземных и межоблачных разрядов (1996-2003 гг.) - расчет коэффициента автокорреляции при сдвиге в 8 мкс (частота дискретизации АЦП 250 кГц) для сигналов, снимаемых с Е-антенны. Атмосферики, имеющие коэффициент автокорреляции, превышающий этот порог (соответствующий одной трети всех регистрируемых атмосфериков), рассматриваются, как вызванные молниевыми разрядами облако-земля.

3. Построены карты распределения грозовых разрядов за 1993-2003 гг. Используемый пеленгатор позволил построить карту распределения плотности грозовых разрядов с градациями по плотности с шагом в 1,5 - 2 раза. Погрешность этой карты, вызванная аппаратурой, составила меньше 40%.

4. По 10-летним данным инструментальных наблюдений грозовой активности выявлены неоднородности пространственного распределения гроз на территории Якутии. Установлено, что определяющим фактором является орография местности. В пространственном распределении гроз наблюдаются широтный эффект и высотная поясность. С увеличением широты число гроз уменьшается. В предгорьях и возвышенных местностях наблюдается больше гроз, чем на равнинах и высоко в горах. Наибольшая грозовая активность в течение всего периода наблюдений регистрировалась на юге и западе Якутии. Плотность разрядов в Якутии, в зависимости от местности, меняется от 0,5 до 4,5 разр./ км2*год.

5. Основной причиной неоднородности распределения плотности грозовых разрядов по долготе является рельеф местности, определяющий различие условий развития грозовых очагов. Причиной активности западных и южных областей является также, по-видимому, западный перенос воздушных масс, встречающего неоднородности рельефа. Этот перенос ограничивается Верхоянским хребтом и системой хребтов в юго-восточной части Якутии.

6. Суточный ход грозовой активности в Якутии представляет собой простую волну с минимумом в утренние часы с 6 до 12 местного времени и максимумом в 17-20 ч.

7. Грозы в Якутии начинаются в конце мая — начале июня. В июле их число достигает максимума, после чего в большинстве сезонов достаточно резко затухает к началу сентября. Интенсивность грозовых разрядов в июле в 2-3 раза выше, чем в июне и августе.

8. По результатам регистрации грозовых разрядов исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов (длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь). Мезо-масштабные комплексы с диаметром от 50 до 400 км имеют интенсивность 0,2 разряда/ 100 кв. км, существуют до 20 ч. и движутся со скоростью ~40 км/ч. При движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

9. Установлена связь изменений количества грозовых разрядов с вариациями интенсивности космических лучей. Анализ вариаций интенсивности атмосфериков относительно максимума интенсивности космических лучей и минимума Форбуш-понижений показывает, что в обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыванием на 1-2 сут. В начале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее повышению КЛ, а затем ее повышение, соответствующие Форбуш-понижениям.

Автор благодарит научного руководителя, к.ф.-м.н. Козлова Владимира Ильича, за предоставленную возможность и за постоянную помощь в ходе исследования и при написании работы. Также заведующего лабораторией РИМ Муллаярова Виктора Арслановича, сотрудников лаборатории и Института за содействие и помощь в работе.

V.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Васильев, Алексей Егорович, Якутск

1. Алехина Н.М., Горбатенко В.П. Изменения грозовой активности над Западной Сибирью // Региональный мониторинг атмосферы. Часть 4. Природно-климатические изменения: Коллективная монография. Под ред. М.В. Кабанова. Томск: МГП «РАСКО». 2000. 270 с.

2. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. 1974. 420 с.

3. Раков В.А. Результаты работы многопунктовых пеленгационных систем местоопределения молний //Метеорология и гидрология. №7. 1993. С. 105114.

4. Алехина Н.М. Грозы юго-востока Западной Сибири и северо-востока Казахстана//Тр. Зап.-Сиб. РНИГМИ. Вып.49. 1980. С.68-74.

5. Мэйсон Д. Физика облаков. JL: Гидрометеоиздат. 1961. 427 с.

6. Лободин Т.В. К вопросу об ущербе, наносимом грозами // Труды ГГО. Вып. 486. 1986. С. 70-71

7. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Механизм образования электричества грозовых облаков. М.: ФИАН. 2002. 28 с.

8. Martell Е.А. Enhanced ion production in convective storms by transpired radon isotopes and their decay products. JGR. 1985. Vol.90. D4. P. 5909-5916.

9. Колоколов В.П., Павлова Г.П., Шевченко К.Б. Особенности грозовой деятельности в Ленинградской области в 1978 г. // Труды ГГО. Атмосферное электричество. Вып.442. 1981. С. 27-33

10. Иванидзе Т.Г. Метеорологические условия грозовой деятельности на территории Якутии: автореф. дис. . канд. физ-мат. наук. М. 1967. 16 с.

11. Справочник по климату СССР. Облачность и атмосферные явления. Гидрометеоиздат. Вып. 24. 1968. 296 с.

12. Филиппов А.Х. Грозы Восточной Сибири. Л.: Гидрометеоиздат. 1974. 75 с.

13. Изюменко С.А. Климат Якутска. Л: Гидрометеоиздат. 1982. 247 с.

14. Pierce Е.Т., Arnold H.R., Dennis A.S. Very Low Frequency Atmospherics due to Lightning Flashes // Report of USAF on Contract AF 33 (657) 7009. Stanford Res. Inst. Menlo Park, Cal., USA. 1962.

15. Pierce E.T. Latidunal variation of lightning parameters. J. Appl. Met., 1970. Vol.9. № l.P. 194-195

16. Prentice S.A., Mackerras D. The ratio of cloud to cloud-ground lightning flashes in thunderstorms. J. Appl. Met. 1977. Vol.16. № 5. P. 545-550

17. Иньков B.K., Махоткин Л.Г. Широтные особенности грозовой деятельности // Труды ГГО. Атмосферное электричество. 1981. Вып.442. С. 34-38

18. Наблюдения за грозами с помощью прибора OTD. Space Research: Optical Transient Detector - http://thunder.msfc.nasa.gov/otd/

19. Филиппов A.X., Хуторянская Д.Ф. Статистические характеристики гроз Якутии // Доклады Института географии Сибири и Дальнего Востока. Вып.31. 1971. С. 39-46.

20. Семилетов И.П., Савельева Н.И., Пипко И.И., Пугач С.П., Гуков А.Ю., Василевская Л.Н. Долгопериодная изменчивость в системе атмосфера-суша-море в Северо-Азиатском регионе // Труды Арктического регионального центра. Т.1. Владивосток. 1998. С.43-64.

21. Ершова Т. В. Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности: автореф. дис. . канд. физ-мат. наук. -Томск. 2004.

22. Исследования гроз на Аляске. Landscape Interactions With Thunderstorms in Interior Alaska http://nrm.salrm.uaf.edu/~dverbyla/gradstudents/dorte.html

23. Reap R.M. Evaluation of cloud-to-ground lightning data from the western United States for the 1983-84 summer seasons // J. Climate Appl. Meteorol., 1986. Vol.25.

24. Иванидзе Т.Г. Некоторые характеристики режима и аэросиноптических условий грозовой деятельности в Якутии // Метеорология и гидрология. №2. 1967. С.78-80.

25. Арабаджи В.И. Гроза и грозовые процессы. Минск: Изд-во БГУ. 1960. 242 с.26