Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Атмосферные осадки из конвективных облаков и их искусственное регулирование на Северном Кавказе
ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат диссертации по теме "Атмосферные осадки из конвективных облаков и их искусственное регулирование на Северном Кавказе"
О Л
'АЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАВДЕЙ СРЕДЫ
ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А.И.ВОЕЙКОВА
На правах рукописи УДК 551.509.
Экба Январби Алиевич
Атмосферные осадки из конвективных облаков и их искусственное регулирование на Северном Кавказе
11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург, 1997 г.
Работа выполнена в Ставропольском научно-производотвеннс геофизическом центре Федеральной службы России по ■ гидрометеоро; гии и мониторингу окружающей среды.
Офигвтальнне оппоненты: доктор физико-математических н,
ук. профессор Абшаев М. Т.. доктор физико-математических а ук Бурцев й.И.,
доктор физико-математических нау профессор Щукин г!г.
Ведущая организация - центральная аэрологическая обсервг рия (ДАО).
сс>
Защита состоится " /Л- " ¿¿¿¿¿"К? 1997 г. в час
на заседании диссертационного совета Д 024.05.01 при Глав! геофизической обсерватории иы. А.И. Воейкова. С диссертацией I но ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватс им, А. И. Воейкова.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные ге; зой печатью, просим направлять по адресу:- 194018, Санкт-Пе1 бург. ул.Карбышева, д.7
Автореферат разослан
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор географических наук, профессор
Н.Б.Кобь
ОБДАЙ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Практика искусственного увеличения осадков в нашей стране и з ряде зарубежных государств'показывает. что в зависимости от используемых для воздействий на облака технических средств, района проведения работ и других факторов стоимость полученной таким образом воды в десятки раз меньше стоимости воды при традиционном искусственном орошении, что указывает на экономическую целе -сообразность работ по искусственному увеличению осадков, особенно если учесть, что они относятся к реально достигнутому к настоящему времени уровню этого увеличения, составляющему 10-15%' сезонной суммы осадков.
3 бызшем СССР регулярные исследования возможности искус -отвенного увеличения осадков были начаты практически в 1959 г, Укреинским научно-исследовательским гидрометеорологическим институтом (УкрНйГШ) на экспериментальном метеорологическом полигоне. К настоящему времени к решения теоретических и практических задач искусственного увеличения осадков в интересах народного хозяйства привлечены многие научно-исследовательские и производственные организации Росгидромета и других министерств и ведомств, з тем числе АН страл СНГ. Среди них ЦАО, УкрНИГМИ. ЗакНИГМИ, САШИ. ГГО. ИПГ, ВГИ. военизированные слулбы АВ Молдавии. Грузии, Узбекистана. Днепропетровская отдельная военизированная часть.
5 последние годы основное внимание исследователей было направлено на изучение облачных ресурсов в различных регионах о целью определения наиболее перспективных из них для организации работ по искусственному увеличению осадков, получение новых данных о строении облаков и процессах облако- и осадкообразования с целью разработки рекомендаций по воздействию и уточнению критериев пригодности облаков к воздействию, а также на разработку методов планирования и оценки работ по искусственному увеличению осадков.
Выполненные обширные теоретические и экспериментальные исследования позволили в начале 80-х годов приступить к опытно-произзсдствекным работам по искусственному увеличению осад -ков из зимних слоистообразных облаков зг конвективных облаков летнего и переходных сезонов гола на площади более 3.5 млн.га з
районах с недостаточным естественным увлажнением, в том числе на Украине на площади 500 тыс. га. в Грузии - 300 тыс. га, Узбекистане - 100 тыс. га. Молдавии - 200 тыс. га, России - 2500 тыс, гз
3 настоящее время з шре насчитывается несколько десятков научно-исследовательских и оперативных проектов по искусственному регулированию осадков, проводимых в различных странах мира - Австралии. США. Канаде, Израиле. Италии. Индии. Китае. - чтс свидетельствует о значительном интересе к проблеме и ее практической значимости.
Анализ проектов по ИУО показывает, что в работах по активному воздействию имеется ряд нерешенных проблем, относящихся к
планированию экспериментов, статистической опенке их Desvaí-
j
татов. а такие к выбору ситуаций, благоприятных для воздействия
Рассмотренные вопросы иллюстрируют то положение, что существует многие факторы, действие которых до настоящего времени вс еще не ясно и. тем не менее, они влияют как на сам эффект воздей ствия. так и на оценку его величины. Главная трудность заключает ся в том, что осадки подвержены значительным естественным про странственно-временным колебаниям и задача оценки эффекта воздей отвия сводится к выделению малых Еозмушений на фоне значительны естественных вариаций. Кроме того, все исследования в области ак тивньк воздействий носят региональный характер и дальнейший успе з решении этой проблемы будет зависеть от того, насколько полньь будут наши знания процессов облзко- и осадкообразования в раг личных регионах мира.
Решение этих проблем, разработка методов искусственного р< гудирования осадков на значительных территориях (более S ши га), а также результаты научно-производственных работ по ИРО з Северном Кавказе, начатых в 1986 году, являются темой диссертаи
цель пзботы
Целью работы является получение и обобщение эксперимента)! ных данных об облачности, пригодной для искусственного увеличен осадков, изучение эволюции облаков при естественном развитии после воздействия на них кристаллизующими реагентами.
Зля достижения этой цели были поставлены и решена следуют задачи:
- статистический анализ данных о режиме осадков опытны*
контрольных территорий в годы проведения работ по ИУО и за полу-гековой период до них;
- создание комплекса оборудования самолетов-метеолаборато-зий, включающего средства измерения термодинамических и микрофи-шческих параметров облаков, а таете средства активного вогдейс-свия;
- разработка технологии воздействия на облака различных Титов с целью ИУО на больших территориях;
- проведение натурных экспериментов по измерению параметров конвективных облаков при естественном развитии и после воздействия кристзллизущиш реагентами:
- разработка методов оценки физической и экономической эффективности работ по ИРО на Северном Кавказе.
Научная новизна работы
В диссертации впервые получены следующие научные результаты:
1. Временное распределение типов облачности, определявших выпадение конвективных осадков на Северном Кавказе.
2. На основе статистического анализа данных о вековом ходе конвективных осадков на Северном Кавказе установлены пространственно-временные (сегснные) колебания конвективных осадков, определена их цикличность.
3. Разработаны технология, технические средства воздействия и контроля результатов работ па искусственному увеличению осадков. Определены критерии пригодности облаков для воздействия с целью ИУО. Дана классификация облачности как объекта воздействия.
4. Проведен комплексный анализ характеристик облаков и осадков при естественном развитии и после воздействия на них кристал-лиаущими реагентами.
5. Получены аналитические решения моделей развития конвекции, позволяющие оценить изменение высоты верхней границы облака. вызванное воздействием, и установить соответствующее уЕели -чение интенсивности осадков. На основании расчетов впервые введено понятие критической водности, являющейся критерием устойчивости облака к активным воздействиям.
8. Предложены статистические методы оценки количества дополнительных осадков, полученных за счет активного воздействия на облачность.
7. Разработана физико-статистическая модель "урожай-осадки"
- s -
для засушливых районов Северного Кавказа, позволившая рассчитать экономическую эффективность работ по ИУО.
Практическая ценность работы
Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, были выполнены е соответствии с общегосударственными научно-техническими программами ГКНТ, планами НИР и ЦНТП Росгидромета (теш: III. 19.3., Ш.1.1., Ш.1.З., III.5.1., ■ ЦНТП-5: 1.5.1.1., 1.5.1.З., 1.5.1.5., 1.5.1.7., 1.5.2.1.), предусматривающими разработку и внедрение в неродное хозяйство методов активных воздействий- на гидрометеорологические процессы.
Под руководством автора и при его непосредственном участии создан комплекс авиационных средств воздействия й измерения параметров облаков, а также радиолокационный автоматизированный комплекс для выбора объектов воздействия и контроля, результатов AB.
Результаты исследований облачных' процессов и комплекс средств воздействия и контроля AB используются о 1986 года для выполнения производственных работ по искусственному- увеличении осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край, Ростовская облзсть, Республика Калмыкия).
Оперативко-произЕОДственкые работы по ЙУО проводятся с целые интенсификации сельскохозяйственного производства., на посевной плошэди 2.5 млн., га зерновых. Средний ежегодный экономический эффект этих работ составляет приблизительно 200 тыс. тонн допол -нительного урожая зерновых культур.
На защиту выносятся:
- способы и технические средства активного воздействия длг ИУО на значительных территориях;
- метод статистической оценки облачного потенциала и цикличности осадков опытных и контрольных территорий;
- результаты научно-производственных работ по искусственном! регулированию осадков на Северном Кавказе; .
- математические модели конвекции для выбора объектов воздействия и контроля результатов воздействия; .
- физико-статистические методы оценки физической эффективности работ по ИУО;
- статистические модели "урожай - осадки" для засушливы;
■айонов Северного Кавказа;
- методы оценки экономической эффективности работ по ИУО.
Личный вклад автора
Автор является организатором и непосредственным участником [аучко-производственных работ по искусственному увеличению осадив на Северном Кавказе.
В диссертацию вошли результаты исследований, полученные автором лично или под его научным руководством за весь период с 1986 года. Автором лично проведен анализ и интерпретация всех результатов, вошедших в диссертационную работу, получены физические 5ыводы и дано их обоснование для практического применения.
Апробация работы
Основное содержание работы докладывалось ка семинарах и итоговых сессиях Ученого совета ВГЙ. нз проблемных советах Росгидромета, всесоюзных семинарах по шизике облаков и активным воздействиям нз них (Нальчик*- 1987, 1989, 1991 гг.), на III Всесоюзном симпозиуме по математическому- моделированию атмосферной конвекции и искусственных воздействий нз конвективные облака (Нальчик, 1990 г.), на Международном совещании экспертов ВМО (Нальчик, 1934 г.), на Международном симпозиуме по взаимосвязи региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере (Тбилиси, 1988 г.), на. всесоюзных семинарах по планированию и оценке работ по активным воздействиям (Тбилиси, 1986 г., Ставрополь, 19S0 г.), на VI Международной конференции BMD по модификации погоды (Пеотум, Италия, 1994 г.), на XII Международной конференции по облакам и осадкам (Цюрих, Швейцария, 1996 г.).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения.
Общий объем работы составляет 373 страницы.машинописного текста, включая 244 страницы основного' текста, 45 рисунков, 25 таблиц, 58 страниц приложения. Список литературы содержит 300 наименований, иэ них 185 - ца русском и 125 - на английском языках.
Содержанке диссертационной работы
Диссертация является результатом обобщения научно-иоследова-
- з -
вельских и опытно-производственных работ, выполненных автором под его непосредственным руководством в Ставропольском нау но-производственном геофизическом центре, в соответствии с плая ми НИР и ОКР Росгидромета.
Во введении обоснована актуальность работы, определены нау нал проблема, цели, задачи и методы их решения, оценены науч* новизна и практическая значимость работы, перечислены основь положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апроба! работы, личном вкладе автора, публикациях и структуре диссертаг 3 первой главе освещены история и современное состоя* проблемы искусственного регулирования осадков, проведен обзор j тература по проблемам физики облаков и активных воздействий, yi заны наиболее актуальные направления научных исследований и т< нических разработок для целей ЙУО.
Приведен краткий обзор ряда национальных проектов по ИЗ выполненных в различных странах мира в течение 50 - 90 -х год< Рассмотрены проекты, в которых получена как положительные, т; и отрицательные результаты, проанализированы возможные причи: обусловившие неопределенные или отрицательные результаты. Из н. учно-ксследовательских и опытно-производственных работ, выполн ных в бываем ССОР, особое внимание уделено результатам работ : (Россия - Пензенский научно-исследовательский полигон и Молда 1982-1386 гг.), ГГО (Россия - Ленинградская область, 1930-1 гг.), УкрНИГМИ (Украина, 1960-1990 гг.), ВакНИГМИ (Грузия, Ар нин, 1973-1990 гг.), САНИИ (Узбекистан, 1981-1990 гг.), БГИ ( верный Кавказ, 1986-1998 гг.)
Волыпой вклад в изучение облаков и механизма формирова осадков внесли известные ученые Боровиков A.M., Качурин Л. Мазин И-П., Матвеев ЛЛ., Хргиан А.Х., Шишкин Н.С., Шметер С
В решение проблем практического применения достижений в ласти физики облаков и активных воздействий существенный вя внесли известные ученые-организаторы работ по модификации nor АбшаевМ.Т., Сулаквелидзе Г.К., Серегин Ю.А., С'тепаненко В. Черников A.A. Благодаря этим исследованиям наши знания о микрс эике, динамике и процессах осадкообразования в естественных лсвиях и при искусственном вмешательстве существенно обогатш и получили практическую ориентацию.
Наиболее реалистичным подходом к проблеме активных возде . твий на погоду является использование энергетики атмосферных i
цессов. для этого определяются условия нестабильности, при которых сравнительно небольшое искусственное нарушение равновесия в системе может значительно изменить ход атмосферных процессов, Ла-Эораторными экспериментами, натурными физическими измерениями в естественных слоистых и кучевых облаках и численными моделями до-¡гааано влияние искусственного воздействия нз микроструктуру и ди-язмику облаков. Однако количество непосредственных физических доказательств наличия эффекта воздействия все еще ограничено. Сложность и изменчивость облачных процессов представляют собой значительные трудности на пути понимания елияния искусственного воздействия на те или иные облачные процессы. В природе ожидаемый эффект воздействия чаще всего находится в диапазоне естественной изменчивости осадков. Сравнение количества осадков в период активных воздействий с их количеством в течение ряда периодов до воздействия связано со множеством проблем, так как происходят ^е.таериодные климатические изменения. Тем не менее, можно уста -повить опытные и контрольные районы, между количествами осадков в которых существуют корреляционные связи, что повволает использо-аать различные методы для анализа данных об осадках. Чаще всего такой способ является наименее дорогим и наиболее просты?,{ для оценки результатов проекта по засеву облаков.
Наиболее принятым способом оценки результатов засева облаков в последнее время считается рандомизация. Для реализации рандомизированных тестов требуется определенное количество слу -заев, рассчитываемых на основе естественной изменчивости осадков ■л величины ожидаемого эффекта воздействия. В случае незначительного эффекта воздействия может потребоваться длительное (поряд -ка 10 лет) время проведения экспериментов.
Влияние естественной изменчивости осадков на продолжительность экспериментов можно снизить с помогали физических предикторов, эффективность которых находится в прямой зависимости от надето понимания физики явления.
Физическими предикторами могут служить метеорологические параметры (такие как устойчивость, влажность, направление ветра, распределение давления) шш количественные характеристики облачности (такие как содержание вдкогсапельной воды, скорость восходящего потока, концентрация кристаллов льда или радиолокационная отражаемость).
Оперативные программы по модификации погоды необходимо прово-
дить с сознанием риска, присущего технологиям, которые еще не в полной мере разработаны. Например, не следует игнорировать тот факт, что при определенных условиях засев облаков может не только не увеличить, но даже снизить количество осадков.
Тагам образом, обзор литературы но исследованиям физики облаков и мировой опыт практических работ по модификации погоды, представленные на V (Китай, 1989 г.), VI (Италия, 1994 г.) Международных конференциях по модификации погоды и XII (Швейцария, 1996 г.) Международной конференции по облакам и осадкам показал, что дальнейший прогресс в управлении погодой непосредственно связан с тем, насколько полно мы будем знать региональные особенности развития облаков, связь тгаа облаков и осадков, микроструктуру облаков (водность, фааовый состав, температуру, спектр раз -меров облачн&ч частиц) при естественном развитии и трансформацию параметров облаков при искусственном воздействии. Так как существующие механизмы искусственного воздействия на облака рассчитаны на использование их коллоидальной неустойчивости, то неучет или незнание отдельных параметров облаков (особенно водности, фазового состава и температуры на уровне искусственной кристаллизации) может привести к противоположному результату.
Б главе делаются выводы о том, что для получения существенных положительных результатов при выполнении опытно-производственных программ по искусственному увеличению осадков необходимо:
- исследовать региональные особенности формирования конвективной облачности:
- выявить пространственно - временные особенности распределения осадков исследуемых территорий; .■
- модернизировать технические средства воздействия и контроля результатов АВ;
- провести прямые (авиационные)■и дистанционные (радиолока -ционные) измерения микроструктуры и динамики облаков при естест -венном развитии и активных воздействиях на них;
- на основе простых математически моделей конвекции рассчитать влияние АВ на трансформацию параметров облаков;
- разработать региональную методику оценки физической и экономической эффективности работ по ИУО на Северном Кавказе.
Вторая глава посвящена анализу климатических характеристик 5 аэросиноптических ситуаций, определяющих развитие конвективно]
>блачности, описанию распределения типов облачности и облачного ютенииала, пригодного для искусственного увеличения осадков.
Климат Северного Кавказа формируется под воздействием комп-1екса физико-географических уплсгий, наиболее важными из которых шляются солнечная радиация. цир!суляция атмосферы и подстилающая юверхность.
Район Юго-Востока ETC. к которому принадлежит территория Се-зерного Кавказа, является местом столкновения рззлкчных систем атмосферной циркуляции.
Теплое полугодие характеризуется преимущественно западным 1ереносом воздушных масс по периферии полосы высокого давления (азорского антициклона), что обусловливает устойчивую жаркую погоду. Однако такая циркуляция нередко нарушается прорывами западных и южных циклонов, вызывающих интенсивные осадки и градобития.
Характер подстилающей поверхности определяет неоднородность климата на территории региона. Ставропольская возвышенность является барьером на пути влажных воздушных масс, поступающих с запада, и для сухих ветроЕ восточной составляющей .
Ставропольская возвышенность делит территорию региона на две климатические зскы: засушливую (северные, северо-восточные и восточны? районы) и глагссбеспеченнув (западные, :эгс>-западине и ■очные районы).
В табл.1 приведены климатические характеристики трех пунктов, расположенных на западе, в центральной части территории и на востоке гаая. Мз таблицы видно, что по мере продвижения к востоку климат на территории региона становится все более жарким и сухим.
Ставропольский край является зоной высокоразвитого сельскохозяйственного производства. Общая площадь сельхозугодий з крае составляет S545 гас. га. Зерновыми культурами занято 1905 тыс. га. в том числе озимой пшеницей 1297 тыс. га, или 68£ площади посевов зерновых культур. Поэтому анализ агроклиматических условий проведен применительно к озимой пшенице, как основной культуре растениеводства.
Радиационный и термический резким региона полностью обеспе -чикают потребность растений в тепле и солнечной радиации, и ос -новным лимитирующим фактором в развитии растений является увлажнение как воздуха, так и почвы.
Поскольку гидрографическая сеть Ставропольского края развита крайне слабо, решающую роль в обеспечении растений влагой играют
Таблице 1
Изменение климатических характеристик с запада на восток Ставропольского края
Климатическая 1 характеристика | Западные районы Центральные р^айоны Восточные районы
Среднее годовое количество осадков От, мм 531 433 297
Сседнее колич. осапкоЕ за теплый период года От, мм 353 288 £15
Среднее месячное количество осадков (июль) Ощ, мм 66 52 37
! Среднее число дней с ! грозой (год) МГр 32 27 £1
1 Средняя месячная темпе ! ратура (июль), °С 22.8 23.7 24.7
! Суша температур зы-| ве 10°С. Ег> >"Ю°С 3330 3460 3750
| Среднее месячное чис-] ло дней с I < 30%. N1 8 13
осадки.
Для получения стабильных урожаев озимой пшеницы в районах засушливой зоны региона необходимо проводить работы по искусственному увеличению осадков.
Сроки проведения работ по ИУО определяются сроками ответст -венного периода вегетации озимой пшеницы (выход в трубку - восковая спелость), во время которого она испытывает недостаток влага. Б условиях Ставропольского края это май-июнь.
В ряде районов засушливой зоны региона необходимо проведение работ по ИУО не только в весенке-летний, но и в осенний период.
Практические работы по искусственному увеличению осадков с 198В по 1995 г. в условиях климата Северного Кавказа показали необходимость разработки специализированного прогноза условий, времени и района проведения активных воздействий.
данных температурного зондирования атмосферы недостаточно для оценки эволюции облачности даже с малой заблаговременностью. Отчасти зто объясняется крайне редкой сетью пунктов радиозондирования и отсутствием учащенных наблюдений.
В ряде случаев обнаруживается явное несоответствие прогностической модели, построенной по существующим методам, с фактическими условиями з атмосфере.- Возникает необходимость использования карт барической топографии и данных искусственных спутников Земли. Это обеспечивает увеличение достоверности прогноза облачности, пригодной для целей активных воздействий.
Учитываются синоптические ситуации, при которых наиболее вероятно развитие вертикальных движений, приводящих к формированию внутримассовой и фронтальной облачности;
- наличие и выраженность фронта, что определяет переметение и эволюцию облачных систем;
- наличие энергии неустойчивости по данным радиозондирова -
ния:
- степень вертикальной увлажненности воздуха по данным ра -дкозондироЕзния, определяющая среднюю относительную влажность слоя 850-700 гПа:
- наличие пли отсутствие злагонесущих слоев (дефицит точки рссы 1-3 °С), ж мощность, расположение по отношению к высоте изотермы О °С и к уровню максимальных вертикальных скоростей в облаке.
Анализ распределения типов облачности во времени, а также установленная связь между количеством осадков и повторяемостью облаков, дающих дождь, показывают:
- в апреле основной вклад в формирование осадков вносят об -лака слоистых форм 5t, Sa, Ns, отсюда стратегия воздействия на слоистые облака хлацореагентами:
- е мае наблюдаются облака "сметанного" типа, т.е. как Си, Cb, так и St: воздействие производится комбинированно хлалоре -агентами и пиротехническими составами;
- з июне основной вклад дают Си, Cb, отсюда и стратегия АВ кристаллизующими реагентами типа Agi.
В третьей главе дается описание особенностей режима атмосферных конвективных осадков: пространственно-временного распределения осадков, влияния солнечной активности на выпаденде осадков и корреляции осадков опытных и контрольных территорий.
Анализируются данные 28 метеостанций, 8 агрометпостов, 814 ведомственны?: осадкомерных пунктов на площади 50-тыс.кв.км ва период 1935-1995 гг.
Влагообеспеченность территорий определяется главным образом количеством выпадающих осадков, режим которых обусловливается циркуляцией воздушных масс. Осадки на Северном Кавказе в зимний период связаны о черноморской депрессией, в летний - с атланти -ческими циклонами. Однако в целом восточная зона из-за влияния Ставропольской возвышенности характеризуется меньшей циклоничес -кой деятельностью и большим проникновением континентального воз -духа с востока.
Летом влияние циркуляции ослабевает, усиливаются процессы трансформации и определяемая ими засушливость.
Годовое количество осадков составляет 700-300 мм, и для восточных районов территории является недостаточным для успешного возделывания сельскохозяйственных культур, В самой сухой, северовосточной, наиболее континентальной части территории годовая сумма осадков составляет менее 300 мм. Для холодного- периода года характерны моросящие и обложные осадки, для летнего - ливневые. Выпадение твердых осадков возможно с октября по март, однакс наиболее вероятны они в декабре и январе, что связано с крайне неустойчивым характером зимы в этой зоне.
Распределение осадков на территории зоны характеризуете! следующей закономерностью: количество осадков убывает с юго-запада на северо-восток, по мере ослабления »го-западного переноса : атмосфере в летний период от 700 до £00 мм, а в зимний от 200 д< 35 мм.
Годовые суммы осадков колеблются в больших пределах. Так, Буденновске при многолетней сумме осадков за год 354 мм в 194 году выпало 208 мм, а в 1967 году - 549 мм.
Еще больший разброс отдельных значений осадков по сравнени с нормой характерен для месячных ерш. Примером тому может быт август 1967 и 1979 гг. в Рощшо, когда сумма осадков ва меся при норме 30 мм составила соответственно 196 и 2 мм.
Летние месячные суммы осадков превышают зимние в 1.5 -.3. раза и составляют 480 - 70 мм. Максимум осадков приходится í июнь - июль, связан он с активизацией холодных фронтов атлант! ческик. летних циклонов. С уменьшением годовой суммы осадков к с зеро-востоку зоны месячный максимум менее выражен. Минимум месят
яш суш осадков отмечается в январе-марте, когда наиболее часто наблюдаются затоки холодных континентальных масс с территории Казахстана.
Следует отметить, что в восточной, засушливой зоне число дней с осадками более 1.0 мм в зимний период года соответственно больше, чем в летний: 47-75 дней против 45-50, - однако интенсивность этих осадков незначительна и в редких случаях (3-4 дня) превышает 5 мм. В летнее время, когда преобладают ливневые дожди, число дней с осадками больше 5 мм увеличивается до 13-16.
Суточные максимумы осадков приходятся на летний период (июнь-август). В 50 % дет максимальное количество осадков за сутки составляет 30 - 35 мм. Вероятность ливней, дзотах за сутки более 50 мм, не превышает 10 X.
Анализ многолетних данных режима выпадения осадков,, а также определение их цикличности позволяют прогнозировать сезонный ход осадков и соответственно - урожайность сельхозкультур.
Для исследования связи между количеством солнечных пятен и характеристикой засух - гвдротермическим коэффициентом (ГТК) в Ставропольском крае использовался массив данных за период с 1336 по 1995 гг. ГТК рассчитывался для весенне-летнего периода. Пятно-осразовательная активность Солнца определяется числом Вольфа:
- к (10? + I) , (1)
где % - число групп пятен на видимом солнечном диске, £ - число пятен во всех группах, ' к - коэффициент пропорциональности. Числа Вольфа и ГТК изменяются в противсфазе. Особенно четко это наблюдается в максимальных и минимальных точках 11-летнего цикла активности Солнца. Наиболее плавное изменение в противофазе пятно-образовательной деятельности Солнца и засушливости проявляется для зоны неустойчивого увлажнения региона.
Полученные результаты позволяют предположить, что вблизи максимумов солнечной активности наблюдаются засухи, а минимуму солнечной активности соответствует максимум ГТК, что должно соответствовать условиям для хорошего урожая. Минимальному значению солнечной активности соответствуют максимальное значение ГТК и максимальный урожай.
Наблюдаются следующие особенности изменения ГТК: в максимуме нечетного цикла солнечной активности ГТК на 50 % больше, чем в
максимуме четного цикла солнечной активности. Зто свидетельствует о наличии связи ГТК с ЕЕ-летним циклом солнечной активности.
Базовыми данными, на которых осноезн метод оценки дополнительного количества осадков за счет ЙУО, являются полусуточные и суточные данные об осадках с отдельных метеостанций и постов. Значительная неоднородность интенсивности и пространственного распределения весенне-летних осадков из конвективных облаков, а также неоднородность осадкомерной сети приводят к необходимости осреднения осадков.
Осреднение осадков по опытной и контрольной территориям позволяет существенно снизить значения коэффициента вариаций (до значений Су-0.28), а среднее квадратическое отклонение при этом уменьшается в два раза.
Между атмосферными осадками опытных (засушливых) и контрольных (влагообеспеченных) территорий существует довольно тесная линейная регрессионная связь:
Рк - а + ЬОо, • ч (2
где Од, Ох - суммарные осадки конвективных облаков соответственна опытных и контрольных территорий; а - 46.8 и Ь - 0.9 - ксэфтпци -знты регрессии: г - 0.84 - коэффициент корреляции.
Высокие значения коэффициента корреляции осадков сравниваемых территорий и линейная регрессионная связь медду- ними позволяют рассчитывать по фактическим значениям осадков на контрольно! территории количество дополнительных осадков, обусловленных активными воздействиями.
Одним из достоинств этого метода является возможность выдет ления эффекта воздействия и в тех случаях, когда количество осадков меньше многолетней нормы.
В четвертой главе изложены основные принципы метода и описа-НУ технические средства воздействий на облачность и контроля А! при искусственном регулировании осадков. Описаны физические принципы воздействия на облака и облачные системы, техническое обес печение работ, классификация облачности, критерии пригодности об лаков для АВ и технологическая схема работ по ИУО.
Опыты по вызыванию осадков базируются на основных положения, которые предполагают, что для существенного усиления осадков не
обходимо или наличие в переохлажденном облаке ледяных ядер, обеспечивающих протекание процесса Еержерона-Финдайзена, или наличие относительно крупных облачных капель, способных привести в действие механизм коагуляции.
Недостаток или отсутствие ледяных кристаллов или крупных облачных капель модно возместить введением в облака твердой углекислоты (сухого льда) либо йодистого серебра для создания в них ледяных кристзллов или введением в них капель воды или крупных гигроскопических ядер.
Результаты искусственной кристаллизации конвективных облаков зависят от фазового состояния облаков. По классической схеме воздействия в переохлажденное жидкокапельное облако вводятся ледяные ядра, инициирующие рост ледяных частиц за счет разности упругости насыщения водяного пара над водной и ледяной поверхностями.
Основное предположение з этой схеме воздействия заключается з том. что естественные ледяные кристаллы в облаке отсутствуют или присутствуют в таком небольшом количестве, что не в состоянии нарушить коллоидальную устойчивость облака. Для нарушения коллоидальной устойчивости облака требуется 102 - 103 ледяных ядер на кубический метр.
При засеве облаков следует учитывать злияние взаимодействия azaoSpeeyssax аэрозолей с облачной средой как на микрофизические, гак :: на динамически? процессы, протекающие з облаках.
Преимущественный учет влияния засева на микрофизику был характерен для опытов по нарушению коллоидальной устойчивости облака. в которых не уделялось достаточного внимания эффекту освобождения скрыхои теплоты кристаллизации. Из-за недостаточного контроля условий опытов долгое время не все изменения в развитии засеянного облака могли быть объяснены.
Основные операции по наблюден™ за облачностью, контролю положения самолета-метеолаборатории, обмену информацией с him, управлению воздействием и оценки его результатов осуществляются с наземного автоматизированного метеорадиолоканионного комплекса МРЛ-ЙНФО. установленного в аэропорту г. Ставрополя.
Автоматизированный комплекс МРЛ-ИН'Ю предназначен для получения информации об облачности, управления воздействием и контроля его результатов при решении задачи искусственного регулиро -зания осадков. Автоматизированный комплекс МРЛ-ИНФО позволяет получать полную информацию о метеопроцессах и проводимом воздейс-
тали. При этом задачи сбора и первичной обработки радиолокационной информации, вторичной обработки и отображения радиолокацион-• ной информации, а также связи с самолетами-метеолабораториями и контроля воздействия решаются раздельно соответствующими компью -терами. Это позволяет распараллелить выполняемую задачу и сократить время, необходимое для принятия решения по воздействию и его выполнения, и добиться максимальной эффективности.
Зля проведения воздействия и измерения параметров атмосферы я маршрута полета специальный самолет-лаборатория Як-40 оборудован средствами воздействия, измерительными приборами, аппаратурой связи и обмена информацией с командным пунктом. С помощью Як-40 производится зондирование атмосферы, а на больших расстояниях его данные существенно расширяют информацию МРЛ-ИНФО.
В соответствии с предлагаемой классификацией облаков в зависимости от параметров, радиоэхо слоистых облаков (PCO) на экране метеорадиолокатора соответствует 1-3 классам, радиоэхо кучевых облаков (РКО) - £-4 классам, радиоэхо слоисто-кучевых облаког (PCKD) - 2-3 классам.
Фронтальные облачные системы типа Ns - As является пригодными для воздействия с целью ИРО, если в них имеются один или несколько капельных или смешанных по фазовому составу слоев, сплошных или дискретных, мошлоотью не менее 100 м и имеющих температуру ниже порога эффективного действия реагента (для твердого СО? -минус 4°С и ниже, для Agi - минус 7°С и ниже).
Наиболее часто пригодные для воздействий облака развиваютс! на теплых фронтах юго-западных и западных циклонов. Продолжительность сохранения пригодных для воздействия облаков над фиксированным пунктом может составить 3-5 ч. а при замедлении скорост: смешения циклона или его стационировании достигает 10-24 ч и бо лее.
Пригодные для воздействия облака формируются также на холод ных фронтах окклюзии залздных и юго-западных циклонов.
Основными объектами воздействия при ИРО являются изолирован ные мощно-кучевые (Си cong-) и кучево-дождевые облака, находящиес в стадии развития (Си cong, Cb), и облачные образования (клас теры). Под кластером понимается группа объединенных или близу расположенных друг к другу облаков на площади 20x20 км, рас стояние между которыми ке превышает 2-3 диаметров этих облако!
- ид _
ибо многовершинные облака протяженностью не более 20 км.
Основными признаками пригодности конвективных облаков для ¡асева являются: неустойчивая страткфикащя атмосферы, при кото->ой мощность конвективно-неустойчивого слоя превышает 2.0 км, а 'емпература на уровне верхней границы облака ниже -7°0; восходя -1ий поток у основания облака превышает 2 м/с (этот критерий ис -¡ользуется только при засеве конвективных облаков снизу: введение [ьдосбразуюпего реагента в основание облака).
Наиболее часто пригодные для воздействия облака развиваются ¡а холодных фронтах западных циклонов.
Основными параметрами, определяющими выбор облака для засева юдистым серебром с целью увеличения осадков к составляющими кри-;ерий пригодности, являются; вертикальная мощность облака -АН; ■емпература на уровне верхней границы tar°C; горизонтальная [ротяженность облака D и величина радиолокационной отражаемости ¡алиоэхо облака (Z), которые , в свою счередь , должны удовлетво-)ять следующем условиям: АН > 2000 м; t. —10 + -S0°C ( -10 ■ -20°С для облаков морского происхождения); D > 2000 м; Z > .0 дБ. Облако должно находиться в стадии роста.
Б процессе выполнения работ по ИУО первоначально проводится аассифккаыяя облачности с точки зрения пригодности к воздействию ;блск-схема технологического цикла операций по КУО приведена на гис. 1 ).
Решение о вылете самолета принимается в случае наличия в soie работ облачности выше 1-го класса. При этом на основе радиолокационной информации определяются направление, скорость перемещена и тенденция изменения облачных систем. Решение о проведении зоздействия принимается с учетом развития облачности и ее вероят-юго перемещения.
После взлета самолета район работ уточняется в соответствии з изменившимися радиолокационными, а также вновь поступившими танными с борта самолета. При прочих равных условиях предпочтение отдается облакам 3-го класса, находящимся, с учетом упреждения, 1ад районами, где потребность в дополнительны;', осадках макси -лальна. Основные и дополнительные районы рзбот выбираются на ос -юве метеоинформации: суш осадков за предшествующую декаду месяца, их распределения за предшествующий день, а также информации з состоянии посевов.
Рис.
1. Блок-схема технологического цикла операций по воздействию на конвективные облака
■ В случае наличия крупномасштабной облачности на территории работ принимается решение о взлете второго и третьего самолетов -лабораторий. Районы работ самолетов-лабораторий должны быть про -отранственно разнесены. При налички условий работа проводится все светлое время суток, что требует двух, а иногда трех вылетов каждого самолета.
В пятой главе дано описание опытов по воздействию на конвективные облака с целью искусственного увеличения осадков: приводятся радиолокационные данные облаков, подвергнутых воздействию, авиационные бортовые наблюдения трансформации микрофизических и термодинамических параметров обработанных облаков.
Наиболее интенсивные воздействия, проведенные на кучево-дождевую облачность (СЬ), в восточных районах края дали умеренные и сильные осадки ливневого характера.
Наилучший эффект наблюдается при воздействии на мощные конвективные облака с достаточно холодным основанием (I < 10°С) и температурой на уроЕне вершины от -10 до -30°С. Засев конвективных облаков лъдсобразующими реагентами всегда сопровождается микрсфизическкми и динамическими процессам. Наиболее характер -ным следствием динамического эффекта является увеличение еысо-ты верхней границы конвективного облака.
Однако узелшение высоты облака или скорости восходящего потока не всегда означает увеличение количества выпадающего дождя. Это зависит от того, будет ли увеличиваться поток влажного насыщенного воздуха через основание облака. Поэтом;/ при воздействии на конвективную облачность о целью увеличения осадков в восточ -ных засушливых районах региона в летний лерод проводился микро -физический засев, а в центральных и юго-восточных районах - динамический засев.
В последней декаде июня воздействие проводилось о учетом не только ресурса облачности, пригодной к засеву, но и влагообеспе-ченности почвы, состояния посевов и их готовности к уборке.
3 течение всего времени проведения работ по ИУО, с апреля по июль, в целях оптимального использования складывающихся синоптических условий в разные периоды использовалось до четырех самолетов-лабораторий: два Як-40, Ан-30 и Ан-12.
Сравнительный анализ радиолокационных хактеристик облаков в период проведения работ по ИУО (табл.2) выявил тенденцию к уве-
личению преобладающих значений всех параметров фронтальных кон-зективных облаков. Это связано с увеличением степени прогрева подстилающей поверхности. Наиболее пригодными для искусственного регулирования осадков являются облака, имеющие мощность переохлажденной части от 1.5 до 4-5 км. Такую мощность наиболее часто имели конвективные облака фронтального происхождения, а также слоистые облака холодных фронтов и фронтов окклюзии. Мощность переохлажденной части слоистых облаков теплых фронтов часто не удовлетворяла требованиям методики выбора объекта воздействия. Эффект воздействия в таких облаках, как правило, был незначительным.
В общей сложности за период 1986-1395 гг. операции по воз -действию проводились в течение 185 дней, проведен засев более 3000 отдельных облаков и кластеров, в 10 % случаев осуществлен линейный засев слоистообразной облачности. Максимальное количество дней с воздействием приходится на третью декаду мал и первую декаду июня.
В ходе опытно-производственных работ ■ проводились эпизодические измерения микрофизических параметров в облаках, в основном олоистообразных форм и в очагач внедренной конвекции. Необходимо отметить, что все измерения были проведены при пролетах СМЛ в вершинах облаков, это s равной степени относится ко всем типам облаков, з которых проводились измерения. Всего за 10 -летний период получено около двухсот однородных участков записи, по которым проводилось вычисление спектров частиц.
В олоистообразных облаках на уровне верхней границы, на фоне сравнительно невысоких значений концентраций сверхкрупных -частиц (5 -103 м-3) наблюдаются зоны повышенной водности (0.3 гм~3). что, вероятно, связано с наличием очагоз скрытой конвекции. При пролете через вершины мощно-кучевого облака на высоте 5500 м (высота верхней границы облакз 6000 м) отмечается раскоррелированность максимальных значений концентраций частиц и водности, связанная, •по всей видимости, с наличием восходящих потоков в области мак -симального содержания жидкокалельной фракции (фронтальная часть облака) и образованием частиц ссадков в тылоеой части облака. Подобное распределение параметров наблюдалось и в остальных случаях при наличии облаков вертикального развития.
•Измерения, проведенные в облаках среднего яруса с очень высокими значениями нижней границы, показали незначительные величи-
ы водности (0.1 - 0.3 гм~°) и сравнительно Еысокие значения кон-[ентрации сверхкрупных частиц (104 м-3), по сути дела, кристал -юв. Это не могло способствовать положительному эффекту при засе-
'¿аблица 2
Параметры облаков и характеристики АВ
Параметры облаков и характеристики АВ Радиолокационная классификация облаков
Фронтальная кучево-дождевая облачность (ФКДО) Фоонтальная слоисто-дождевая облачность («да Внутримассовая облачность (ВМО)
Верхняя гпаница облака (км) 5-11 3 - 6 4-8
Радиолокационная отражаемость 2 1.6 - 4.2 1.2 - 2.3 1.3 - 2.8
Площадь иадиоэха кв. км. 3000-18000 6000-11700 900-6000
Мощность пере- 0хл2дл.слоя сблакоз (км) 2 - 7 -} с _ ~ 2-5 :
1Напо.перемеще- !ния облаков(град) 0-110 0-150 0-180
¡Скосость пере-¡мещёния (км/ч) 10-60 10-30 10-40 |
!к-во обработан-|ных обл.за день 5-20 3-25 5 -15 ! |
! К-во кзрасхо-!дован. за день ! изделий тзша : ПВ-25 20-450 20-300 15-200 ■
1 Температура ¡внесения Ьеаге.ч |та (°0) " -11 + -28 -б - -18 -12 -25
!К-бо выпавших осадков !за сутки (мм) 13 - 80 1 - 15 5 - 30
-Sise, что в действительности наблюдалось при проведении пробных засевов.
Зо Есех кучевых и мощно-кучевых облаках, в которых удалось провести измерения мигаюфизичеоких параметров, наблюдалось значительное количество переохлажденной жидкокэлельной водности (более 1 гм"3).
Спектры частиц во ФСДО, несмотря на малые концентрацт (5 ' Ю"3 м-3), достаточно широки и аппроксимируются экспоненциальной функцией вида
N (г) - 5360 ехр с- (г - 100) / 4203, (3]
где N (г) представляет собой концентрацию Есех частиц с эк -Бивалентным радиусом г > 100 мкм.
Широкий спектр свидетельствует о хорошо развитом естественном процессе осадкообразования, а увеличение осадков при АВ происходит, вероятнее всего, за счет увеличения общей концентраци] сверхкрупных частиц в результате проведенного засева.
Для конвективных облаков, достигающих максимального разви ■ тия, спектры сверхкрупных частиц тлеют вид
N (г) - 13700 ехр Е- (г-100) /2403. (■
Несмотря на высокие концентрации сверхкрупных части (104м-3), данный спектр достаточно узок по сравнению с вышеопи санным, что свидетельствует о ранней стадии развития облака, Вы сокие значения водности (1.5 гм~3) в верхней части облака поз воляют надеяться на положительный исход при воздействии.
Наличие значительного количества переохлажденной водности, одной стороны, и узкие спектры размеров облачных частиц, о друге стороны, в большинстве случаев при проведении воздействий привс дили к положительному эффекту.
Шестая глава посвящена описанию математические моделей кои векции, применяемых для выбора объектов воздействия и оценки ожл даемого эффекта воздействия.
Проблема возникновения и развития конвективных движений атмосфере привлекает внимание исследователей уже на протяжен! нескольких десятков лет. При этом много внимания уделяется пои
эенгао моделей развития конвекции, в основе которых лежит числен-зе решение уравнений динамики атмосферы о широким привлечением эвременной вычислительной техники. Однако из-за численной формы • ешения получаемые результаты носят частный характер, не всегда опоставимы, как правило, не охватывают Есего диапазона интересу-иих условий. Поэтому в диссертации развивается направление, елью которого является отыскание решений упрощенных уравнений, случаемые при этом соотношения, как правило, легко обозримы и озволяют сделать ряд выводов, представляющих познавательный и рактический интерес. Кроме того, наличие точных аналитических ешений данной задачи позволяет строить более удачные численные хеш.
В реальных условиях атмосферы частицы воздуха (термики) ельзя считать адиабатически изолированными от среды: между ними окружающей средой происходит обмен массой, теплом, количеством' Еижения, влагой и др. Об этом свидетельствуют прежде всего неко-орые опытные данные. Согласно измерениям, фактическая разность емператур воздуха внутри термиков (или конвективных струй) и вне х примерно на порядок меньше-рассчитанной по адиабатической мо -ели. Пс экспериментальным данным, эта разность составляет деся -ые доли градуса, а расчетные значения - несколько градусов. Вер-няя граница Н конвективных облаков располагается, как правило, рачительно ниже уровня свободной конвекции НКС!НВ, определяемого ;о пересечению кривой стратификации с адиабатической кривой состо-:ния (средняя разность Навяз - Н »» 3 км). Разница'объясняется во-;лечением. т.е. массо- и теплообменом между конвективными злемен-■ачи и окружающим воздухом.
Аналитическое решение задачи определения скорости W неадиа -¡этического подъема термина в политропной атмосфере при перемен -юм показателе вовлечения А (2) показывает следующее:
- уровень конвекции НКОнв вполне определяется параметрами •ермика (Tío ~ То, Ро) и градиентом стратификации г;
- уровень конвекции увеличивается с возрастанием начального зазмера термика Ro (Ь " 4 R0) ;
~ Нконв возрастает с уменьшением параметра та - т, т.е. с уменьшением устойчивости а-тмосйеры.
Рассчитанное на основе адиабатической модели конвекции изме-?ение высоты верхней границы облака, вызванное внесением в облако фисталлизующего реагента, определяется выражением
- гб -
ûK it
ДН » 0.8 -:- , (51
/b(rao " r) (Tio -Т0У
где ЛН - приращение высоты облака, ûKîi - изменение температур! термика, вызванное действием кристаллизующего реагента, b - коэффициент равный 0.25 км-1, ïaoi ï ~ соответственно влажноадиаба ■ тический и сухоадиабатический градиенты температуры, Ij0, То ' соответственно температура внутри термика и в окружающей атмосфере.
Изменение высоты верхней границы облака, рассчитанное на ос нове адиабатической модели конвекции, может достигать величин 0.6 - 1 км.
Очевидно, что данное приращение высоты термика является пер внм толчком. Дальнейший рост облака зависит от наличия благопри ятных условий в атмосфере и водозапасов самого облака. Одним и определяющих факторов является водность облака. Расчеты показав что существует критическая влатаоадиабатическая Водность дн определяемая выражением
„ Сг.р / Тао-Т
Qh - 1.4 ■ - / - Tm (Ti0- То) , 1
а у т
где 0р - удельная теплоемкость воздуха, р - плотность воздуха, - удельная теплота кристаллизации, Ти - температура уровня макс: мальных скоростей.
Пои тех же значениях, для которых была вычислена величи
г
приращения высоты, критическая влажноадиабатическая водное должна быть порядка qK - 0.7 гм~3. Если водность больше критиче кой, то воздействие будет эффективным, если же водность облэ меньше критической, то воздействие будет неаффективным. Получе ное для qK значение находит подтверждение в опытах по искусстве ному увеличению осадков.
В седьмой главе описаны методы оценки физической и эконо). ческой эффективности работ по искусственному увеличению осад}
з Северном Кавказе.
Одним из наиболее простых методов, применявшихся при оценке изического эффекта воздействия на облака с целью ИУО в Ставро-ольском крае, является метод климатического среднего. Сравнивз -тся отклонения от нормы (среднего многолетнего значения) осадков а контрольной (КТ) и опытной (ОТ) территориях. Методом климати -еского среднего получено, что дополнительное количество осадков а ОТ в среднем в год за 9 лет проведения АВ составило 10 мм (на 0-ти процентном уровне значимости).
Недостатком метода климатического среднего является предпс-южение о равенстве средних квалрзтических отклонений осадков от ¡срмы на ОТ и КТ.
Для оценки физического -эффекта воздействия на облака с целью гекусственнсго увеличения осадков на территории Ставропольского фая применялся регрессионный метод. На материале многолетних данных об осадках на ОТ и КТ устанавливалась регрессионная сеязь лежцу ними.
Из анализа данных по осадкам за годы до начала работ по ИУО на Северном Кавказе (с 1936 по 1985 гг.) было получено уравнение регрессии между осадками КТ (0К) и ОТ (0Л):
Од - -5 х 0,73 Ок. С-')
Коэффициент корреляции г - 0.84.
Активные, воздействия в период с 1986 по 1995 гг. нарушают уравнение регрессии (рис.2), оно приобретает следующий вид:
о0 - -а + о.32 Ок. (а)
Вычитая уравнение (7) из (8), получим физическую эффек -
гивнссть активных воздействий в виде дополнительного количества осадков за сезон работ:
Д0,о - -2 + 0,09 0К. (9)
Из уравнения (9) следует, что чем более дождлиеый год,
тем больше дополнительных осадков можно вызвать искусственно. Ежегодные данные о дополнительных осадках, рассчитанные регрессионным методом, приведены в табл. 3.
- т -
Таблица
Данные о дополнительных осадках за годы проведения'АВ
Осадки (мм) 1986 1987 1988 1989 1990 1991 •1692 1993 1994' 199
Ок 122 182 206 211 143 154 226 164 109 122
Оор 83 127 144 148 98 106 159 114 74 88
ООФ 94 151 170 156 113 136 182 137 83 95
; ЙСЬ 11 24 26 8 15 30 23 23 9 7
Ок (мм) - суммарные осадки за (май - июнь) на контрольн территории (КТ);
Оор (мм) - расчетные (ожидаемые) по уравнению регресс осадки на опытной территории (ОТ);
Ооф (мм) - фактические осадки на ОТ;
ДОо (мм) - дополнительные осадки за счет ИУО.
Метод регрессии показзл среднее годовое увеличение осадк ДО. - 18 мм на 5 % уровне значимости. Для условий Ставропольем) края метод контрольных территорий (метод регрессий) дает удозл творительные результаты.
Для оценки физического эффекта воздействия при искусстЕенн увеличении осадков на территории Северного Кавказа наряду с мет дом контрольных территорий о 1990 года применялся радиодоке цкокньш метод. Преимуществом радиолокационного метода являез то, что все осадки из облаков, на которые проводились АВ, фикс руются и не зависят от густоты расположения осадкомерной сети, имеющемся экспериментальном материале были установлены корреляь онные связи меа$У интенсивностью осадков й1, изменением радиол кационной отражаемости и высоты верхней границы облака ДК ; различных типов облаков. При увеличении высоты облака на ДН-1 относительное увеличение интенсивности осадков составляет ЗС Чем больше интенсивность осацкоЕ (I), тем большее приращение т тенсиЕкости осадков можно вызвать в результате воздействия. ; говорит в пользу того, что объектами воздействия должны быть к\ чеЕо-дождевые облака с достаточной интенсивностью естествен} осадков.
Широкий диапазон возможных эффектов, которые могут им{ место при активных воздействиях в соответствии с нашими предст; лениями означает, что если существуют эффекты действия засева с
Po MM
40 SO 120 lé-0 200 240 Q« мм
Рис. 2. Регрессионная" сряяь осалк'ов контрольной и опытной (.0о> территорий! i • - © период до iia-ian.!' рйвот , 2 - а период проведения активных
о рис т гч1!*|
У ц/га
Рис. "J. Фи-эмко-с'Гйтистическ'а^ модель урог.^й-осаики Д71 ÏI ЗаСуШЩРОЙ С-ОНЫ С T¿TiE<p о по 71 k оf о г о края
лаков на осадки на больших расстояниях, то они должны быть как одного, так и другого анака. В одних случаях они приведут к увеличению осадков, в других - к снижению или, мажет быть, к перераспределению с уменьшением выпадения дожди в одних точках и с увеличением в других.
Ежегодное влияние работ по ИУО в Ставропольском крае на прилегающие районы неоднозначно. Оно зависит от характеристик влажных атмосферных процессов, проходящих в регионе. В отдельные год! на прилегающих площадях косвенный эффект может быть больше, чеь на самой территории, подверженной активным воздействиям.
Выявленные эффекты необходимо учитывать при планировании работ по активным воздействиям.
Каждый эксперимент по воздействию, как правило, уже на стадии планирования ориентируется на конкретную отрасль производств;
- потенциального потребителя его результатов. Это в значительно; мере определяет план эксперимента, в первую очередь, выбор район и сезон работ. Главным потребителем дополнительных осадков на Се верном Кавказе является сельское хозяйство.
Для оценки экономической эффективности работ по ИУО по мате риалам полевых наблюдений за период без воздействия построек статистическая модель урожая, з которую в качестве независимы переменных в числе других входят погодные факторы, в чзстностя количество осадков.
Для засушливой зоны Ставропольского края модель урожай-ссзд
ки хорошо описывается нелинейным уравнением
у - Ут '
где уи - 22 ц/га - статистический максимум урожайности; 0.1 - 21»
- количество 'осадков, дающих половину максимальной урожайное ти коэффициент корреляции г - 0.91,
Из данной модели (ркс.З) следует, что если в вегетационш период (май - июнь) осадки не наблюдались, то урожайность рав] нулю. Это, в свою очередь, говорит о решающей роли осадков . д. урожайности зерновых в вегетационный период.
Используя данные о дополнительных осадках (табл.3), по фо; муле (10) проведены расчеты дополнительной урожайности зерновы; полученной за счет ИУО: она составила в среднем 0.8 ц/га. Допел яигельный валовый сбор зерна в пересчете на посевную площа
- 31 -
рновых 2.5 млн.га составляет 200 тыс. тонн ежегодно.
Основные выводы и рекомендации
1. Для проведения опытно-производственных работ по искусст-'Яному увеличению осадков в условиях климата Ставропольского >ая был разработан специализированный прогноз синоптических си -'аций, при которых наиболее вероятно развитие вертикальных дви-;ний, приводящих к формированию внутримассовой и фронтальной общности. пригодной для ИУО. Установленная связь мелщу типами обычности и количеством осадков позволяет выбрать правильную стра-?гию воздействия. В апреле основной вклад в формирование осадков аот облака слоистых форм типа Ns (55%), отсюда стратегия воздей-гвия хладореагентами. В мае наблюдаются в основном облака сме -анногс типа: как кучевые типа Cu, Cb (83%), так и слоистые St,Ns 177=.); воздействие проводится комбинированно: хладореагентами и иротехническими составами. В июне осадки выпадают из облаков ко-вективных форм Cu, СЬ, отсюда и стратегия АВ кристаллизующими еагентзми типа Agí.
2. Анализ данных £8 метеостанций, 8 агрометпостсз и 314 еломстзенных осадксмерннх пунктов на плошади 60 тыс. кз, к,м за еопсд 1935 - 1995 гг. выявляет следующие закономерности: коли-■íctbc ссадков убывает с юго-запада нз северо-восток по мере ос-абления юго-западного переноса в атмосфере: в летний период от 00 до ZOO мм, а в зимний от 200 до 85 мм. В целом, суша осад -:св за теплый период более чем в два раза превышает количество садков холодного периода.
Установление режима атмосферных осадков, оценка влияния оол-¡ечно-земкых связей и их цикличности позволяют прогнозировать сезонный ход осадков и ожидаемую урожайность зерновых культур.
Линейная регрессионная связь осадков ОТ и КТ и высокие зна-1»ния коэффициента корреляции г - 0.84 позволяют рассчитать коли-1ество дополнительных осадков, обусловленных активными воздействиями.
3. Разработанный в СтНПГП автоматизированный радиолокацион-ю-авиационный комплекс позволяет получать полную информацию о детеопроцессах, проводить активные воздействия и осуществлять контроль их результатов.
НперЕые в практике активных воздействий проводилась марки-
ровка обработанных вон воздействия и определялась траектория полета СМЛ на фоне радиоэха облаков, .что существенно повышает эф шективность АВ.
4. За период 198В - 1995 гг. .воздействие проводилось 181 дней, проведен засев более 3000 отдельных конвективных -облаков кластеров, в 10Х случаев осуществлен линейный засев слоистообраз-ной облачности. Максимальное количество дней с воздействием при ■ ходится на третью декаду мая и первую декаду июня.
Наилучший эффект увеличения осадков достигается при воздейс теии на мощные конвективные облака с достаточно холодным основанием (1 < 10°С) и температурой на уровне вершины от -10 д -80°С, ЗасеЕ конвективных облаков льдообразующими реагентам: всегда сопровождается микрофизическиш, а также динамическим, эффектами. Наиболее эффективно осуществлять микрофизический засе: облаков до начала выпадения естественных осадков. Динамически засев более эффективен для конвективных облзког, генерирующи значительные осадки. Однако увеличение высоты облака или сксрост восходящего потока не всегда означает увеличение количества Еыпа дающего дождя. Это зависит от того, будет ли увеличиваться пото влажного насыщенного воздуха через основание облака. Поэтому пр воздействии на конвективную облачность с целью увел; ч-эния осад ков з восточных засушливых районах Ставропольского края летний период проводился микробизичеокий засев, а в центральны и юго-восточных районах - динамический засев.
Во всех кучевых и мощно-кучевых облаках, в которых проводи лиоь измерения микрсфизических параметров, наблюдалось значителъ яое количество переохлажденной жидкокапельной водности (боле 1гм-?'). Спектры частиц при атом достаточно широки, что свиде тедьствует о хорошо развитом прцесое осадкообразования.
5. Полученные в работе точные аналитические решения уравне ний движения .термика позволяют рассчитать изменение высоты верх ней границы облака в результате воздействия кристаллизующим рез пентом. Приращение высоты составляет 0.6 - 1 км , что являете первым толчком.
Дальнейший рост облака зависит от наличия благоприятных.ус лоеий в атмосфере. Одним из определяющих факторов является вод ность облака. Впервые в работе вводится понятие критической вод кс-сти.. являющейся критерием устойчивости облака к воздействк
кристаллизующими реагентами.
Расчеты показали. что если водность облака больше критической 4 0.7 гм-3), то воздействие будет эффективный. Если же годность облака меньше критической, то воздействие будет неэффективным: е этом случае реализуется только мккрофизический механизм формирования осадков. Полученное значение дк находит под -тверждение в опытах по искусственному увеличению осадкоЕ.
о. Впервые проведена колнчетвенная сценка физического эффекта искусственного увеличения осадков на Северном Кавказе, которая осуществлялась с использованием регрессионного метода.
Ежегодные данные о дополнительных осадках показали в среднем 15% увеличение осадков на 5% уровне значимости. При этом чем интенсивнее естественные осадки в сезоне, тем больше дополнительных осадков можно вызвать в результате воздействия.
Установленная статистическая связь радиолокационных.параметров облака с интенсивностью осадков показывает, что при динамическом засеве конвективных облаков повышение уровня верхней границы облаков Ш на 1 км приводит к увеличении интенсивности осадков на 50 X.
7. Основным потребителем дополнительных осадков на Северном Кавказе является сельское хозяйство. Статистическая модель урожай-осадки , в которую в качестве независимых переменных входят поголные факторы, для засушливых зон Северного Кавказа имеет вид нелинейного уравнения.
йэ этой модели следует, что если в вегетационный период (май-июнь) осадки не наблюдались, то урожайность равна нулю. Это, з свою очередь, говорит о решающей роли осадков в формировании урожайности зерновых.
Используя данные о дополнительных осадках и регрессионное уравнение урожай-осадки, проведены расчеты дополнительной урожайности зерновых, полученной га счет ИУО: ска составляет в среднем 0.3 п/га. Дополнительный валовый сбор зерна, з пересчете на посевную площадь зерновых 2.5 млн.га, составляет 200 тыс. тонн.
Таким образом, в результате выполнения работ получены новые научные данные о влиянии активных воздействий на процессы осадкообразования и режим атмосферных конвективных осадков. Работа имеет большое народнохозяйственное значение, подтвержден -ное расчетами экономической эффективности и актами внедрения технических разработок и результатов исследований в различные отрас-
ли народного хозяйства. Выполнение этих исследований в основное стимулировалось хоздоговорной тематикой.
' 3. Существующая технология воздействия- на конвективную у слоистую облачность должна совершенствоваться в соответствии с новыми представлениями о механизме осадкообразования. Дальнейшие этапы в исследовании возможности регулирования осадков представ -ляюгоя перспективными в следующих направлениях:
а) усовершенствование авиационных технических средств воздействия и применение ноеых, более эффективных реагентов;
б) использование автоматизированных радиолокационно-авиационных средств контроля воздействия в реальном масштабе времени;
з) разработка новых методов воздействия на фронтальные облачные системы с целью регулирования осадков- (перераспределение-: пространстве и во времени, предотвращение интенсивных осадков рассеивание облаков);
г) использование методов и технических средств активных воз действий для решения экологических задач - вымывание из атмосфер: различных примесей;
д) дальнейшее исследование механизма формирования естествен ных и искусственных осадков.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Исследование роста градин в потоке переохлажденного вод ного азссзоля, содержащего кристаллическую фазу. Труды. X Всес. конф. по испарению, горению и газодинамике дисперсных сис тем., Одесса, 1973. СоаЕтор - Хоргуани В.Г.
2. Некоторые вопросы термодинамики градин. Труды ВГК вып.£4, 1573. с.5-15. Соавторы - Хоргуани В.Г., Тлисов м.и.
3. Экспериментальное исследование роста искусственных град] в облаке со смешанной микроструктурой. Изв. АН СССР, "Физика ач мосферы и океана", т.XI, N 2, 1975, с.153-161. Соавтор - Хоргуаг В.-Г.
4. О влиянии кристаллической фазы на рост градин. Труды ВЛ вып.29, 1975, с. 151-162. Соавторы - Хоргуани В.Г., Тлисов М.И.
5. Микрсфизическое исследование одного градобития. Физи! аэродисперсных систем, вып.14, 1976. Соавторы - Хоргуани В.Г Тлисов М.И.
5. Некоторые результаты исследования зародышей естественн!
градин. Физика аэродисперсных систем. ,выпЛ4, 1976, Соавтор -Глнсов М.И.
7. Исследование эффективности разрушения конвективных обладав взрывом и продуктами ликвидации противоградовых снарядов.Тру-ВГИ, вып.47, 1.980, с.36-44. Соавторы - Бибилашвили Н.Ш., Го-заль Г.Г., Калов Х.М.
3. Результаты анализа опытов по воздействии на особо мощные градовые процессы. Тезисы докладов Всес. конф. по физике облаков 1 активным воздействиям на них, Нальчик, 1979. Соавторы - Биби-хашвили Н.Ш., Ковальчук А.Н.
9. О возможности подавления града з сверхмощных конвективных зблакзх. Труды Международной конф. по физике облаков и активным зоздействиям., Клермон-Ферран, Франция, 1980. Соавтор - Бибила -ввили Н.Ш.
10. Воздействия на конвективные обдзка продуктами ликвидации изделий "Эльбрус". Труды ВГИ, еып.48, 1983, с.120-129. Соав -тар - Алхассв Б.А.
11. Оценка опытов по борьбе с градом на Северном Кавказе. Тезисы докладов Междунар. конф, по борьбе о градом, София, 1982.
12. Исследование возможности обнаружения пассивных радиоле-
CSIIJ^'HKb'''* ^ТО^Л^Й -Ti^^tq Mpwq^nq^ij^'qvp ^ ТрУДЫ P'.'^J'J f
^ktj t 'iо.^/з ^ с9~**3. Поавтоо — П'.чи'к^вг*ч М. Ю
13. Поляризационный метод радиолокационного выделения пас-:кзкых отражателей на фоне радиоэхо мощных конвективных облаков. Груды VI Всес. конф. по радиолокационной метеорологии. Таллинн, 1982. Соавторы - Богомолов О.С., Пажевич М.Ю., Шмагин Д. А.
14. Физико-статистическая модель "урожай-осадки" для засуй-хиеых и влзгосбеспечевных районов Ставропольского края. Труды ?ГИ, вып,85, 1992, с.64-70. Соавторы - Каплан Л.Г., Закинян Р.Г.
15. Об оценке физической эффективности работ по ИУО в Став-:«лольсксм крае. Труды ВГИ, вып.85, 1992. Соавторы - Каплан Л.Г., Закинян Р.Г.
16. Экономически эффективность работ по ИУО в Ставропольем крае. Труды ВГИ, вып.85, 1992. с.77-79. Соавторы - Каплан 1.Г.. Закинян Р.Г.
17. К теории нездиабатического подъема сухого (или влажного ¡енасышенного) тэрмика при переменном показателе вовлечения. Труда СФ ВГИ, еып.1, 1993, с. 101-107. Соавторы - Каплан Л.Г., Заки-1ян f.p.
18. Об оценке эффекта воздействия в неадиабатических моделях конвекции. Труды СФ ВГИ, вып.1, 1993, с.108-115; Соавторы - Кап-дан Л.Г., Закинян Р.Г.
19. К скорости движения дождевой взшш, падающей- в аэрозольной среде. Труды СФ ВГИ, вып.1, 1993, с.116-121. Соавтор - Закинян Р.Г.
20. Работы по ИУО на Северном Кавказе. Труды СФ ВГИ, вкп.1, 1993, с. 3-8. Соавторы - Каплан Л.Г., Свириденко A.C.
21. Методика работ'по ИУО на Северном Кавказе. Труды СФ ВГИ. вып.1, 1993, о. 20-32. Соавторы - Каплан Л.Г.,. Атабиев М.Д.
22. Синоптический прогноз облаков вертикального развития к; территории Ставропольского края. Труды СФ ВГИ, вып.1, 1993, с. 3340. Соавтор - Хачатурова Л.И.
23. Агроклиматические ресурсы и режим осадков в Ставропольском крае. Труды СФ ВГИ, вып.1, 1993, с.9-19. Соавтор - Бадахов; Г.Х.
24. Методика оценки эффективности работ по ИУО. Труды О
ВГИ, вып.1, 1993, с.55-65. Соавторы - Вадахова Г.Х., Каплан Л.Г.
25. О вертикальных движениях облачных объемов при ИУО. Труд О© ВГИ. аьга.1, 1993, с. 71-ез. Соавтор - Каплан Л.Г.
26. Некоторые результаты работ по ИУО в Ставропольском крае Труды ВГИ, вып.81, 1990, с.110-115. Соавторы Каплан Л.Г., Атабие М.Д., Льянос-Мас A.B., Свириденко A.C.
27. Вертикальные движения облачных объемов при активном вое действии с целью увеличения осадков. Тезисы Бсес.конф. по AB в гидрометпроцессы., Нальчик 1991. Соавтор - Каплан Л.Г.
28. Основные результаты работ по ИУО на Северном Кавказе Тезисы Всес. конф. по AB на гидрометпроцессы, Нальчик, 1991, с 8-10. Соавтору - Залиханов М.Ч., Каплан Л.Г., Атабиев М.Д.
29. Оценка физического аффекта воздействия при ИУО в Ставрс польском крае. Обозрение прикладной и промышленной махематига ■Сер. "Вероятность и статистика", т.2, 1995, с. 156-165. Соавтор - Каплан Л.Г., Закинян Р.Г.
30. Оценка дополнительной урожайности озимой пшеницы при и< кусственном увеличении осадков в Ставропольском крае. Обозрен] прикладной и промышленной математики. Сер. "Вероятность и стати тика"", т.'з, вып.2, 1996, с. 163-173. Соавторы - Каплан Л.Г., 3, кинин Р.Г., Лалшанов Ю.К.
31. Фиаико-статистические методы автоматизированной радисло-*ационной оценки эффекта воздействия при искусственном увеличении осадков. Обозрение прикладной и промышленной математики. Сер. "Вероятность и статистика", т.З, вып.2, 1996, с.174-192. Соавторы
- Бадахова Г.К., Каллан Л.Г,, Ватиашвили М.Р.
32. Генератор аэрозоля, А. с. N 1617681 от 14,05,1993. Соавторы - Байсиев Х-М. X., Атабиев М.Д.
33. Способ стимулирования осадков.иэ конвективных облаков-с использованием самолетов. А.с, N 2000690 от 15.10.1993. Соавторы
- Атабиев М.Д., Залиханов М.Ч., Байсиев Х-М.Х.
24. Устройство для распыления жидкости з полете. А. с. N 1809960 от 10.10.1992. Соавторы - Байсиев Х-М.Х., Атабиев М.Д.
35. Генератор аэрозоля. А.с. N 1797181 от 14.05.1993. Соавтор - Байсиев Х-М.Х., Атабиев М.Д.
36. Генератор аэрозоля. А.с. N 1797182 от 08.10.1992. Соавторы Атабиев М.Д,, Вайсиев Х-М.Х.
37. Способ стимулирования осадков кз конвективных облаков с использованием самолета. Патент N 2000690 на изобретение А.с, N 5032062 - опублик.15 октября 1993 г. Соавторы - Пашкевич М.Ю., Атабиев М.Д., Байсиев Х-М.Х.
38. Устройство для распыления жидкости в полете. А.с. N 1809960 (СССР) - опубл. 10 октября 1992 г. Соавторы - Атабиев М.Д. Байсиев Х-М.Х., Болгов ».В.
39. Способ активного-воздействия на градовые облака. Решение ВНИИГПЭ о Еыдзче азт, свид, по заявке N 031597/15 от 29.08.1994 г. соавторы Атабиев М.Д., Залиханов М.Ч., Аппаев В.М., Вавилов П.Е.
40. Способ-активного воздействия на градовые облака. Решение ВНИИГПЭ о выдаче авт. свид. по заявке N031615/5 от 29.08.1994 г. Соавторы - Атабиев М.Д., Залиханов М.Ч., Аппаев В.М., Штульман Н.Г.
41. The Artificial Enhancement of the Liquid Precipitation on the torth Caucasus. WMO/TD N 596, Sixth V.M0 Scientific Conference on Weather Modification, Italy, 1994, Vol.1, pp. 295-296. Co-authora - L.8. Kaplan, M.D. Atabiev, G.Kh. Badakhova, E.G. Zakinyan.
42. Aircraft automated complex. ISth International Conference on Clouds and Precipitation Zurich, Switzerland, 1996, V.'l, p. 410-412. Co-authors - M.Yu, Pashkevich, N. A. Berezinsky.
43. Automated radar system MRL-INFo! 12th International
Conference on Clouds and Precipitation, Zurich, Switzerland 1996, V,l, p.406-409. Co-authors - M.D.Atabiev, A;V. Kapitannikov L.G. Kaplan.
44. Calculation of parameters of a cumulonimbus cloud taking involvement into consideration. 12th International Conference or Clouds and Precipitation, Zurich, Switzerland, 1996, V.l, p. 530-531. Co-authors - M.R. Vati3shvili, R.0. Zakinyan, M.N. Zhekamoukhov.
45. The research on the possibility of inversion layers piercing through by the growig convective clouds. 12tb International Cunterence on Clouds and Precipitation, Zurich, Switzerland, 1996, V.l, p.604-607. Co-authors - M.D, Atabiyev, R.Q, Zakinyan.
45. Peculiarities of convective cloudiness origin in the eastern droughty areas of the Stavropol region. 12tl International Conference on Clouds and Precipitation, Zurich, Switzerland, 1996, V.l, p. 608-611. Co-author - L.I.Khachaturova.
47. Non - stationary model of admixture distribution in the cloudy atmosphere. 12th International Conference on Clouds anc Precipitation, Zurich, Switzerland, 1996, Y.2, p.899-SOO. Co-authors - L.G, Kaplan, M.R. Vatiashviii, I.E. Naats, E,A. Semenchin.
48. Conditions of atmospheric convective precipitation ir Stavropol region. 12th International Conference on Clouds anc Precipitation, Zurich, Switzerland, 1996, Y.2, p. 1012-1015. Co-authors - B.Kh. Badakhova, L.K. Golouz.
49. Cloudiness climatology of the central part of the Norti Caucasus. 12th International Conference on Clouds anc Precipitation, Zurich, Switzerland, 1996, V.2, p.1016-1019. Coauthors 6. Kh. Badakhova, Yu. K. Lashmanov.
Текст научной работыДиссертация по географии, доктора физико-математических наук, Экба, Январби Алиевич, Ставрополь
ï!
I
1 V" ;
Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей Среды Ставропольский научно-производственный геофизический центр
На правам рукописи
Экба Январби Алиевмч
Атмосферные осадки из конвективным облаков и ик искусственное регулирование на Северном Кавказе
11.00.09. -метеорология, климатология, агрометеорология
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Ставрополь-1996
Оглавление стр
Введение................................................... 4
Гл.1. Основные результаты проектов по искусственному зегулированию осадков (ИУО)..................................... 7
1.1. Общие сведения о проектах по искусственному югулированию осадков..................■......................... 7
1.2. Физические принципы метода ИУО. Концепции воздействия
[а облака различных типов..................................'..... 19
1.3. Технологии, технические средства и реагенты, [рименяемые в работах по ИУО.............................................30
1.4 Способы оценки эффективности работ по ИУО.............. 39
Гл.11. Климатическое описание и аэросиноптические ситуации, пределяющие развитие конвективной облачности и режим осадков -:а Северном Кавказе............................................. 69
2.1. Климатическая характеристика территории и агроклимати-:еские ресурсы Ставропольского края.......................... 69
2.2. Аэросиноптические процессы, определяющие развитие онвекции на территории края.................................... 81
2. 3. Облачный потенциал, пригодный для искусственного
величения осадков.................................................................86
Гл.III. Особенности режима атмосферных конвективных осадков сследуемых территорий.......................................... 105
3.1. Пространственно-временное распределение осадков и
есурсы влагообеспечения посевных площадей...................... 105
3.2. Влияние солнечной активности на выпадение осадков..... 118
3.3. Режим осадков опытных (ОТ) и контрольных (KT)
ерриторий.....■................................................. 126
Гл.IV. Методика и технические средства активных воздей-
твий на облачность для искусственного увеличения осадков....... 136
4.1 Физические принципы.воздействия на облака и облачные
истемы с целью увеличения осадков.............................. 136
4. 2 Техническое обеспечение работ по ИУО................... 141
4.3 Классификация облачности и критерии пригодности облаков ля воздействия с целью ИУО..................................... 148
Гл. V. Исследование характеристик конвективных и слоистых облаков при естественном развитии и после воздействия на них
кристаллизующими реагентами..................................... 163
5:1. Анализ термодинамических условий атмосферы в период активных воздействий............................................ 163
5.2. Описание опытов по воздействию на облачность конвективных и слоисто-дождевых форм.................................. 166
5.3. Радиолокационные параметры облаков...................................176
5.4. Авиационные данные по воздействию на облачные системы
с целью вызывания дополнительных осадков........................ 186
5.5. Бортовые измерения микрофизических и термодинамических параметров облачности, подвергнутой воздействию............. 196
Гл.VI. Математические модели конвекции, применяемые для выбора объектов воздействия и контроля результатов AB........... 208
6.1. К теории неадиабатического подъёма сухого (или влажного ненасыщенного воздуха) термика при постоянном показателе вовлечения..................................................... . 208
6.2. К теории неадиабатического подъема сухого термика
при переменном показателе вовлечения........................................212
6.3. К эффекту воздействия на облака в адиабатических моделях конвекции............................................... 217
Гл.VII. Оценка физической и экономической эффективности работ по ИУО на Северном Кавказе................................ 228
7.1. Оценка физического эффекта воздействия на облака с
целью ИУО....................................................... 228
7.2. Влияние воздействия на режим осадков сопредельных территорий...................................................... 245
7.3. Методы оценки экономического эффекта работ по ИУО..... 254
7.4. Физико-статистическая модель "урожай-осадки" для засушливой зоны Ставропольского края............................ 261
7.5. Оценка дополнительной урожайности зерновых при проведении работ по ИУО......................................... 268
Заключение................................................. 282
Приложение..........................................................................316
- 4 -Введение
Актуальность проблемы. В настоящее время к решению теоретических и практических задач искусственного увеличения осадков в интересах народного'хозяйства привлечены многие научно-исследовательские и производственные организации Росгидромета и других министерств и ведомств, в том числе АН стран СНГ. Среди них ДАО, УкрЩШМИ, ЗакНЖМ, САНИИ, ГГО, ИПГ, ВГИ, военизированные службы АВ Молдавии, Грузии, Узбекистана, Украины.
В целом, выполненные обширные теоретические и экспериментальные исследования, позволили приступить в начале 80-х годов к опытно-производственным работам по искусственному увеличению осадков из зимних слоистообразных и конвективных облаков летнего и переходных сезонов года, В том числе, на Украине - на площади 500 тыс, га, в Грузии - 300 тыс. га, Узбекистане - 100 тыс. га, Молдавии. - 2001 тыс. га, России - £500 тыс. га.
В мире насчитывается несколько десятков научно-исследовательских и оперативных проектов по искусственному регулированию осадков, проводимых в различных странах мира - Австралии, США, Канаде, Израиле, Италии, Индии, Китае, что свидетельствует о значительном интересе к проблеме и ее практической значимости.
Анализ проектов по ИУО показывает, что в работах по активному воздействию имеется ряд нерешенных проблем, относящихся к планированию экспериментов, статистической оценке их результатов, а также к выбору ситуаций, благоприятных для воздействия.
Рассмотренные вопросы иллюстрируют то положение, что существуют факторы, действие крторых до настоящего времени все еще не ясны, -но тем не менее, они влияют как на сам эффект воздействия, так и на оценку его величины. Главная трудность заключается в том, что осадки подвержены значительным естественным пространственно-временным колебаниям и задача оценки эффекта воздействия сводится к выделению малых возмущений на фоне значительных естественных вариаций. Кроме того, все исследования в области ак тивных воздействий носят региональный характер и дальнейший успех в решении этой проблемы будет зависеть от того, насколько полными будут наши знания процессов облако- и осадкообразования в различных регионах мира.
Решение этих проблем, разработка методов искусственного регулирования осадков на значительных территориях (более 2 млн. га), а также обобщение результатов научно-производственных работ
по ИУОА выполняемых о 1986 г. на-Северном Кавказе, являются темой диссертации.
Целью работы является получение и обобщение экспериментальных данных об облачности, пригодной для искусственного увеличения осадков, статистический анализ далных о режиме осадков опытных и контрольных территорий в годы проведения ИУО и за полувековой период до них, разработка комплекса оборудования самолетов-метеолабораторий, включающего средства измерения термодинамических и микрофизических параметров облаков, а также средства активного воздействия, проведение натурных экспериментов по измерению параметров конвективных облаков при естественном развитии и после воздействия кристаллизующими реагентами, разработка методов оценки физической' и экономической эффективности работ по ИУО на Северном Кавказе.
Научная новизна работы.' В диссертации впервые получены следующие результаты:
1. Временное распределение типов облачности, определяющих выпадение конвективных осадков на Северном Кавказе.
2. Установлены пространственно-временные (сезонные) колебания конвективных осадков на Северном'Кавказе, определена их цикличность .
3. Разработаны технология, технические средства воздействия и контроля результатов работ по искусственному увеличению- осадков. Определены критерии пригодности облаков для воздействия с целью ИУО. Дана классификация облачности как объекта воздействия.
4. Проведен комплексный анализ характеристик облаков и осадков при естественном развитии и после воздействия на них кристаллизующими реагентами. •
'5. Получены аналитические решения моделей развития конвекции, позволяющие оценить изменение высоты верхней границы облака, вызванное воздействием, и установить соответствующее увеличение интенсивности осадков. На основании-:расчетов впервые введено понятие критической водности, являющейся критерием устойчивости облака к активным воздействиям.
6. Предложены статистические методы оценки количества дополнительных осадков, полученных за счет активного воздействия на облачность.
7. Разработана физико-статистическая модель "урожай-осадки" для засушливых районов Северного Кавказа, позволившая рассчитать экономическую эффективность работ по ИУО.
_ Практическая ценность работы. Исследования,'результаты которых вошли в диссертацию, были выполнены в соответствии о общегосударственными научно-техническими программами ГКНТ, планами НИР и ДНТП Росгидромета.
Результаты исследований облачных процессов, комплекс средств воздействия и контроля АВ внедрены (имеются 3 акта внедрения) с 1986 года для выполнения производственных работ по искусственному увеличению осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край, Ростовская область, Республика Калмыкия). Средний ежегодный "экономический эффект этих работ составляет приблизительно 200 тыс. тонн дополнительного урожая зерновых культур.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на семинарах и итогоеых сессиях Ученого совета ВГИ, на Проблемных советах Росгидромета, Всесоюзных семинарах по физике облаков и активным воздействиям на них (Нальчик, 1987, 1989, 1991 гг.), на Всесоюзных семинарах по планированию и оценке работ по активным воздействиям (Тбилиси, 1986 г., Ставрополь, 1990 г.), на VI Международной конференции ВМО по модификации погоды (Пестум, Италия, 1994 г.), на XII Международной конференции по физике облаков и осадков (Цюрих, Швейцария, 1996 г.). По теме диссертации опубликовано 62 публикации (4 из них опубликованы в центральных научных изданиях, 12 статей опубликовано за рубежом), получено 10 авторских свидетельств на изобретения и патенты.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения.
Общий объем работы составляет 373 страницы машинописного текста, включая 244 страницы основного текста, 46 рисунков, 25 таблиц, 58 страниц приложения. Список литературы содержит 300 наименований, из них 185 - на русском и 125 - на английском языках.
На защиту выносятся: способы и технические средства активного воздействия на облака для ИУО, .результаты научно-исследовательских и опытно-производственных работ по регулированию осадков на Северном Кавказе, математические модели конвекции, физико-статистические методы оценки физической и экономической эффективности работ по ИУО.
Гл. 1 Основные результаты проектов по искусственному регулированию осадков
1.1. Общие сведения о проектах по искусственному регулированию осадков.
Особенностью активных воздействий на облака, как средства получения дополнительной воды, является низкий уровень капиталовложений и их быстрый оборот. Эта экономически выгодная особенность активных воздействий может быть реализована наиболее полно при создании комплексной системы, включающей как собственно активные воздействия с их техническими средствами, так и комплекс необходимых гидротехнических сооружений для сбора дополнительно полученных осадков с последующим их распределением по мере необходимости. Искусственно вызванные осадки могут быть использованы и без посредства указанных сооружений, например, для орошения сельскохозяйственных угодий, пополнения водой водохранилищ, создания утолщенного снежного покрова, увеличения весеннего влагозапаса почв и т.д. Однако в этих случаях необходимо, чтобы в те периоды года, когда требуются дополнительные осадки, над тем или иным районом были соответствующие облака. Проведенные расчеты и практика искусственного увеличения осадков в нашей стране и в ряде зарубежных государств показывают, что в зависимости от используемых для воздействий на облака технических средств, района проведения работ и других факторов стоимость, полученной таким образом воды, составляет от 0,01 до 0,02 доллара за 1 м3, что значительно меньше стоимости воды при традиционном искусственном орошении.
Приведенные цифры указывают на экономическую целесообразность работ по искусственному увеличению осадков, особенно если учесть, что они относятся к реально достигнутому к настоящему времени уровню этого увеличения, составляющему 10-15% сезонной суммы осадков.
В странах СНГ регулярные исследования возможности искусственного увеличения осадков были начаты практически с 1959 г. в УкрНИИ на специально созданном в Софиевском районе Днепропетровской области экспериментальном метеорологическом полигоне [31, 32, 66, 67, 72, 84, 85]. К настоящему времени к решению теоретических и практических задач искусственного увеличения осадков в интересах народного хозяйства привлечены многие научно-исследовательские и
производственные организации Росгидромета и других министерств и ведомств, в том числе АН стран СНГ. Среди них ЦАО, УкрНИИ, ЗакНИИ, САНИИ, ГГО, ИПГ, ВГИ, военнизированные службы АВ Молдавии, Грузии, Узбекистана, Днепропетровская отдельная военизированная часть.
В последние годы основное внимание исследователей было направлено на изучение облачных ресурсов в различных регионах с целью определения наиболее перспективных из них для организации работ по искусственному увеличению осадков, получения новых данных о строении облаков и процессах облако- и осадкообразования с целью разработки рекомендаций по воздействию и уточнения критериев пригодности облаков к воздействию, разработку методов планирования и оценки работ по искусственному увеличению осадков [20, 30, 52, 68, 69, 70, 79, 80, 81, 82]. Экспериментальные полевые исследования проводились в равнинных районах Украины [63, 72, 84, 188] и Поволжья [23, 53, 54, 55], в предгорьях Кашкадарьинской области Узбекистана [45, 76, 77, 78, 116, 247] и в горных районах Закавказья [11, 16, 37, 124, 91]. При этом изучались возможности увеличения осадков как из слоистообразных зимних облаков, так и из конвективных облаков теплого и переходных сезонов года.
Одновременно разрабатывались технические средства воздействия и контроля, которые по способу применения можно разделить на наземные и самолетные.
В исследованиях применялась новейшая контрольно-измерительная бортовая и наземная аппаратура, ЭВМ, широко использовалось математическое моделирование естественного развития процессов облако- и осадкообразования и их хода в результате воздействий.
По указанным выше направлениям работ получены существенные результаты фундаментального и прикладного характера. Так получены новые экспериментальные материалы по физическому строению облаков различных форм (турбулентность, пульсация температур, микроструктура, радиолокационные характеристики и др.}. Подготовлены рекомендации по усовершенствованию методов воздействия на облака различных типов, по оптимальному планированию и оценке эффективности работ по увеличению осадков. Определены на территории СНГ наиболее перспективные районы для проведения в интересах народного хозяйства работ по получению дополнительной воды из облаков.
Осуществлены работы по созданию средств доставки реагента в
облака. К настоящему времени разработаны комплексы самолетного оборудования [18, 90], включающие информационно-вычислительную систему, углекислотную дозирующую установку и аппаратуру воздействия аэрозолем. Изготовлены опытные образцы наземных пиротехнических и жидкостных аэрозольных генераторов, наиболее перспективных для работ в горных районах. Заметный вклад в организацию анализа складывающихся ситуаций и контроля результатов воздействия вносит разработанный автоматизированный комплекс сбора, обработки и представления радиолокационной информации об облаках.
В целом выполненные обширные теоретические и экспериментальные исследования [125, 133, 138, 141] позволили впервые в нашей стране приступить с 1985 г. к опытно-производственным работам по искусственному увеличению осадков из зимних слоистообразных облаков и конвективных облаков летнего и переходных сезонов года на площади более 3,5 млн.га в районах с недостаточным естественным увлажнением, в том числе на Украине - на площади 500 тыс. га, в Грузии - 300 тыс.га, Узбекистане - 100 тыс.га, Молдавии - 200 тыс.га, России - 2500 тыс.га.
Перечень основных программ искусственного увеличения осадков и краткие характеристики их приведены в табл. 1.1., (Приложение). Помимо работ, указанных в этой таблице, проведены крупномасштабные эк
-
Экба, Январби Алиевич
-
доктора физико-математических наук
-
Ставрополь, 1996
-
ВАК 11.00.09
- Математическое моделирование физических процессов в конвективных облаках при естественном развитии и активных воздействиях
- Исследование микрофизических и электрических процессов в конвективных облаках на основе численного моделирования
- Исследование влияния противоградовой защиты на режим летних осадков в Молдавии
- Численное моделирование формирования макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков
- Исследование роли взаимодействия Макро- и микрофизических процессов в формировании микроструктуры конвективных облаков
