Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности"

На правах рукописи

ЕРШОВА Татьяна Владимировна

ФИЗИКО - СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГРОЗОВОЙ

АКТИВНОСТИ

Специальность 25.00.30. - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2004

Работа выполнена в ГНУ НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете

Научный руководитель: доктор географических наук

Горбатенко В. П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

СеновХ.М.

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Машуков Х.М.

Ведущая организация: Ростовский государственный

университет, (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 11 мая 2004 г. в 14 °° часов на заседании диссертационного совета Д.327.001.01 при Высокогорном геофизическом институте по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы

С вопросами молниезащиты и пространственного распределения молниевых разрядов приходится сталкиваться специалистам многих отраслей, таких как энергетика, связь, строительство, авиация, космическая промышленность, лесное хозяйство. Возрастает количество высотных зданий и площадь застройки; в промышленности применяются горючие и взрывоопасные вещества; в электронике и связи чаще применяются чувствительные электронные приборы, которые чутко реагируют на возмущения, вызванные грозовыми разрядами. Результатом повреждений могут быть нарушения нормального функционирования производства, и в отдельных случаях поражения молнией приводят к трагическим последствиям.

В России основными источниками информации о грозоопасности территории являются визуально-слуховые наблюдения на метеорологических станциях и эпизодические инструментальные наблюдения. Для немногих регионов нашей страны построены карты удельной поражаемости молниями и изучены среднестатистические параметры молнии. Потребителей не удовлетворяют сведения о пространственном распределении числа дней с грозой и продолжительности гроз в часах, так как карты носят фоновый характер. Возрастает необходимость в исследовании пространственного распределения инструментальной характеристики - плотности разрядов молнии в землю, что особенно актуально для интенсивно осваиваемой территории Западной Сибири.

В литературе широко обсуждаются вопросы о причинах пространственной неоднородности грозовой активности, таких как высота места над уровнем моря, температура воздуха и характеристики влажности. Дополнительными факторами, влияющими на неоднородность грозовой активности, являются аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли, влияние городов и повышенного уровня радиоактивности. Исследование региональной грозовой активности имеет как познавательное, так и большое практическое значение. Предварительная оценка наиболее пожароопасных территорий в лесу - наиболее перспективная сфера приложения результатов исследования пространственного распределения грозовой активности. Решению этих вопросов и посвящена данная работа.

Целью работы является изучение физико-статистических параметров молнии и особенностей распределения плотности разрядов молнии в землю (Ы) на основе наземных и спутниковых инструментальных наблюдений за грозами для разработки рекомендаций лесоохранным службам от пожаров. '

Задачи исследования

Разработка метода определения плотности разрядов молнии в землю на основе спутниковых наблюдений.

Выявление факторов, приводящих к неоднородности пространственного распределения грозовой активности.

Определение роли молний, как основного -природного источника пожаров.

Для решения задач потребовались

1. Разработка метода оценки плотности разрядов молний в землю по спутниковым данным.

2. Анализ аэросиноптических условий, благоприятных для возникновения молниевых разрядов.

3. Определение влияния производственной деятельности на грозовую активность.

4. Определение влияния уровня радиоактивности на грозовую активность над атомными реакторами.

5. Оценка влияния климатических характеристик гроз на интенсивность возникновения лесных пожаров.

Исходный материал и методика

Для территории Томской области использовались данные 23 метеорологических станций за период 1966-1995 гг., 9 метеостанций за период 1951-1995 гг. и результаты обработки данных сети счетчиков молний за период 1985-1986 гг. Территория Германии выбрана в качестве полигона исследования, для которого были доступны данные многолетних визуальных и инструментальных наблюдений. Обе территории расположены в умеренных широтах и имеют схожий характер грозопоражаемости. Для территории южной Германии использованы данные 61 метеостанции за период 1951-2002 гг. и данные наземной системы место определения молний (LPATS — Lightning Position And Tracking System) за период 1992-2002 гг. Для обеих территорий использованы данные наблюдения со спутника "Microlab-1" за период 19951999 гг. Методом исследования является корреляционно-статистический анализ многолетних данных наблюдений за грозами. Обработка данных наблюдений производилась на ПК с помощью пакетов прикладных программ (Statistics Statgraphics plus for Windows, Blitzstatistika, Exsel), использующих стандартные методы математической статистики.

Личный вклад

Непосредственно автором собраны и обработаны данные регистрации плотности разрядов- молнии- в-землю и числа дней с грозой для южной

Германии во время стажировки в институте метеорологии и климатологии Исследовательского центра и компании - Сименс (г. Карлсруэ, Германия). Разработан метод оценки плотности разрядов молнии в землю для территорий умеренных широт, на которых не производятся наземные инструментальные наблюдения за молниями. Построена оценочная карта плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным для Томской области. Разработаны рекомендации для лесоохранных служб Томской области.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

2. Установлено статистически значимое влияние городов на увеличение плотности разрядов молнии в землю по сравнению с фоновыми значениями.

3. Установлено статистически значимое влияние повышенной радиоактивности над атомными реакторами южной Германии на плотность разрядов молнии в землю.

4. Определена роль молний в возникновении и распространении крупных лесных пожаров.

Положения, выносимые на защиту

1. Среднестатистические характеристики молний, используемые в молниезащите.

2. Закономерности влияния промышленных городов на пространственное распределение грозовой активности.

3. Закономерности влияния повышенного уровня радиоактивности на грозовую активность.

4. Метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

Практическая ценность

Построенная карта разрядов молнии в землю для Томской области может представлять практический интерес при проектировании линий электропередачи и планировании лесоохранных мероприятий.

Полученные эмпирические уравнения о связи различных характеристик фоз, а также значения- среднестатистических параметров молний представляют практический интерес и могут быть использованы для молниезащитных мероприятий.

Разработанные рекомендации по наиболее вероятным очагам возгорания от молний и наиболее пожароопасным годам для Томской области, используются авиационной базой охраны лесов.

Апробация работы

Содержание работы и ее основные положения докладывались на Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству (г. Владимир, 2126.09.2003), 12 International Conference on Atmospheric Electricity - ICAE 2003 (France, Versailles, 9-13.06.2003), VI Русско-корейском международном симпозиуме науки и технологий - KORUS-2002 (г. Новосибирск, 2430.06.2002), Четвертом и пятом сибирском совещаниях по климато-экологическому мониторингу (г. Томск, 20.04.2001, 25-27.06.2003), I и II Международной конференции "Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики" (Томск, 5-8.09.2001, 27-31.10.2003), VII - IX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 26.02-2.03. 2001, 8-12.04.2002 и 7-9.04.2003), V - VII Международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых им. Академика М.А Усова "Проблемы геологии и освоения недр" (Томск, 9-13.04.2001, 1-5.04.2002, 1418.04.2003), Региональной научной молодежной конференции "Географические проблемы Западной Сибири" (Томск, 21-23.12.2000), IV Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы" (Томск, 2429.04.2000), VII - IX . Всероссийских научно-технических конференциях "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 5-7.12.2001, 13.12.2002, 3-5.12.2003), Научно-практической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения М.В. Тронова "Проблемы гляциогидроклиматологии Сибири и сопредельных территорий" (18-19.11.2002), на семинарах НИИ высоких напряжений при ТПУ и Высокогорного геофизического института (г. Нальчик).

По теме диссертации опубликовано 27 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 129 наименований. Работа изложена на 152 страницах, в ней 26 рисунков, 17 таблиц, 21 страница приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ'

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, изложена цель исследований, рассматривается научная новизна и практическая ценность работы, кратко описывается ее содержание, сформулированы поставленные и решенные в ходе исследований задачи.

В первой главе приводятся описание основных источников информации о грозовой активности и факторах, определяющих ее* пространственную неоднородность.

В южной Германии действует наземная многопунктовая разностно-дальномерная система местоопределения молний (LPATS - Lightning Position And Tracking System), в которой используется метод определения расстояния до грозового разряда по разности времени прихода на разнесенные антенны (метод ТОА -time-of-arrival). Дополнительно используется новый метод "совмещенной технологии для улучшения точности" (IMPACT - Improved Accuracy from Combined Technology), комбинирующий метод ТОА и пеленгационный - определения азимута местоположения грозового разряда. Ошибка измерений не превышает по азимуту 1 и по времени 1.5 микросекунд. Система состоит из пяти приемников, удаленных друг от друга на расстояние от 200 до 300 км, соединенных линиями связи с центральным процессором; системы отображения информации и навигационного спутника, с помощью которого происходит синхронизация времени на субмикросекундном уровне. Внутри исследуемой территории точность измерений достигает 250 метров и уменьшается на ее границах до 1000 метров. Эффективность определения наземных молний достигает 85-90%. С помощью системы можно определить координаты точки удара молнии (широта и долгота), поляризацию и амплитуду тока молнии между облаком и землей. Сила тока оценивается по приходящему сигналу. Система направлена, в основном, на местонахождение наземных молний (типа облако-земля и земля-облако), регистрируется лишь небольшая часть (около 10%) вертикальных разрядов молний внутри облаков.

Информация о количестве молний со спутника Microlab-1 получена с помощью оптического детектора OTD (Optical Transient Detector) за период с 1995 г. по 1999 г. Наземный и спутниковый методы грозопеленгации позволяют получать информацию о плотности разрядов молнии в землю, характеристики, которая является наиболее информативной и необходимой для потребителей.

Пространственная неоднородность грозовой активности отмечается как на территории со сложным рельефом, так и на равнинных территориях. Исследователи выделяют следующие причины пространственной неоднородности грозовой активности:

1. Орография является важнейшим фактором, формирующим неоднородность пространственного распределения грозовой активности для холмистых территорий (от 400 до 1000 м н.у.м.).

2. Над равнинными территориями определяющим в пространственной неоднородности грозовой активности являются различия в температурно-влажностных характеристиках подстилающей поверхности.

3. Вторичными по значимости факторами, обуславливающими неравномерность, являются геофизические неоднородности земной поверхности (аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли).

4. Статистически установлено, что повышенный уровень радиоактивности (после аварии на Чернобыльской АЭС), может влиять на пространственное распределение грозовой активности.

5. Город, как источник дополнительных ядер конденсации, участок со множеством высотных зданий и "остров тепла*', изменяет грозовую активность.

Во второй главе рассматриваются два косвенных метода определения плотности разрядов: 1 - корректировка спутниковых данных и 2 - в традиционной оценке плотности разрядов по данным о числе дней с грозой уточняются эмпирические коэффициенты.

В первом разделе дается характеристика исходного материала с проверкой рядов числа дней с грозой (Т) на однородность с помощью критерия Стьюдента, теста Аббе и метода отношений. К однородным рядам можно отнести треть рядов длительностью 30 лет в Томской области и длительностью 40-52 года в Германии.

Основными инструментальными параметрами молний являются -плотность разрядов молнии в землю (К), полярность и величина силы тока (I) молний. Средние значения N изменялись за рассмотренный период от 0,9 разрУкм2 год в 1997г. до 3,5 разр./км2 год в 2000 г., стандартное отклонение (а) соизмеримо со средними значениями.

В результате проверки гипотезы на нормальность распределения с помощью критерия Пирсона (х*), определили, что плотность вероятности Ти N аппроксимируется нормальным законом распределения с вероятностью 95% и описывается формулой:

а

где х соответствует значениям Ти N.

Для потребителей наиболее интересны максимально возможные значения плотности разрядов молнии в землю, в отдельные годы плотность может достигать 20,8 разр/км2 год.

Величина тока молнии / по данным 3170 разрядов лежит в широком диапазоне — от 3 до 186 кА (рисунок 1), со средним значением - 23 кА, стандартное отклонение составляет 15 кА. Медиана силы тока равна 19, а мода — 16 кА. Для практики молниезащиты наибольший интерес представляет знание вероятности, в которой амплитуда тока хотя бы одной из компонент 8

молнии может превысить заданную величину." Для южной Германии в 50 % случаев величина силы тока не превосходит 15 кА и в 95 % величина силы тока не превосходит 55 кА. Аналитически распределение удовлетворительно описывается нормальным логарифмическим законом.

В различных регионах значения / и законы распределения / сильно различаются, например, на Черноморском побережье Кавказа среднее значение / равно 18.6 кА, для Карельского перешейка 14 кА, а рекомендованное значение Международной конференции по большим» электрическим сетям (СЮКЕ) равно 30.3 кА. Полярность молний-принято определять по знаку заряда, переносимого по каналу молнии. Большинство молний (93 %) переносило отрицательный заряд.

11 Р<!)

0,8 ■

0,6

0,4

0,2

п -

5 15 25 35 45 55 65 75

Рисунок 1 - Интегральное распределение амплитуды тока молнии.

Положительная молния составляла в среднем за грозовой сезон около 7%, причем, если в июне отмечалось самое большое количество положительных молний - около 14 %, то в августе лишь около 4 %. Средняя величина силы тока отрицательных и положительных молний сравнима во все месяцы (таблица 1).

Таблица 1 - Максимальные и средние величины силы тока для отрицательных и положительных молний в грозовой сезон. Штутгарт. 1992-1999 гг.

Полярность молний Величина тока, кА май' июнь июль август Май-август

Отрицательная Максимальная 106 95 104 186 186

Средняя 19 24 25 25 22.

Положительная Максимальная 88 160 136 57 160

Средняя 15 23 23 17 17

Значительно отличаются максимальные значения силы тока по месяцам — так, например, величина силы тока положительных молний превосходит / для отрицательных молний в июне и июле. В мае и августе складывается обратная ситуация — максимальные значения / отрицательных молний превышают / положительных молний.

Проанализирована синоптическая ситуация, наиболее благоприятная для возникновения гроз в Томской области за 16-летний период. Грозы отмечаются при четырех группах циклонов: 1 - перемещающихся из центральных районов европейской территории страны вдоль 60 параллели; образующихся на волне полярного фронта в районе Екатеринбурга - Самары; 3 — с северных районов Западной Сибири; 4 - образующихся в районе междуречья Обь-Иртыш. Повышенная грозовая активность в западной части области объясняется тем, что эта территория входит в область повышенного циклогенеза над Западной Сибирью.

Для южной Германии максимальное количество разрядов молнии отмечается при циклональной ситуации и фронте окклюзии над Центральной Европой. При преимущественном западном потоке для грозовых штормов, значительное количество штормов приходит с востока (до 26%). Наиболее информативным индексом, связанным с количеством разрядов молнии в землю (коэффициент корреляции 0,49) является индекс конвективной потенциальной энергии (САРЕ - convective available potential energy), определяемый по формуле:

где g — свободное ускорение земли, Qu> - потенциальная температура поднимающегося объема в о з д у > 0 ц -;нциальная температура окружающей среды.

Значения САРЕ для аэрологических сроков с разрядами молний превосходят значения САРЕ для сроков без разрядов в 2.5 раза. Значения САРЕ более 1000 Дж/ кг соответствуют грозам продолжительностью более часа.

Во втором разделе главы приводится описание разработанного метода оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным. Информация о количестве разрядов молний была доступна для трапеций с интервалом в Г по широте и долготе, и затем вычислялась плотность разрядов на 100 км2 за год для каждой трапеции. Территория южной Германии разделена меридианом 10* в.д. на две приблизительно равные территории: юго-западная была использована для построения метода; юго-восточная, как независимая, для проверки полученного метода. Дискретные спутниковые

данные о количестве разрядов молнии в землю на несколько порядков отличаются от непрерывных данных наземной системы местоопределения молний. Поэтому без дополнительной корректировки данные спутника не могут быть использованы для описания пространственного распределения плотности разрядов молнии в землю. Коэффициент корреляции между плотностью разрядов молнии по наземной и спутниковой системам равен 0,73 и значим с вероятностью 95%. В результате сравнения оценочных значений с инструментальными результатами на независимом материале юго-восточной части Германии с помощью критерий Пирсона (х2), получили, что различия не существенные, и обусловлены случайностями.

Для того, чтобьь приложить результаты сравнения спутниковой- и наземной информации для равнинной» Томской области, выделили на территории Южной Германии схожие участки с высотой не более 300 метров над уровнем моря: Коэффициент корреляции между Иназ и Испуш для равнинных участков значим с вероятностью 95% и равен 0,93 (рисунок 2).

3,5 3

г 2,5 1 2 9 1,5

I 1 I 0,5

I 0

0,12 0,14 0.16 0,18 ОД 0,22 0,24 Ысггут.разр/НЮкв км год

Рисунок 2 - Зависимость значений плотности разрядов молнии в землю по наземной системе (Иназ)) от плотности разрядов по спутнику (Испуш) для равнины. Южная Германия.

Для Томской области оценочная плотность разрядов молнии в землю (МОцен, разрУкм2 год) рассчитывалась для каждой трапеции (со стороной в 1°) из спутниковых данных плотности разрядов молнии (Испут, разр./км2 год) по формуле:

Nmк - 244 ,58 .ЛТ^ +0,46, (3)

В результате проведенных оценок для Томской области средняя плотность разрядов молнии в землю изменяется от 2,2 до 0,8 разр./км2 год (рисунок 3).

Рисунок 3 - Плотность разрядов молнии в землю, оцененная по спутниковым наблюдениям. Томская область. 1995-1999 гг.

Оценены максимально возможные значения плотности разрядов молнии в землю (14.6 разр./км2 год) для Томской области. Для этого вводились поправки к средним значениям плотности разрядов молнии на годовой и суточный ход. За максимально возможные значения в годовом ходе принимались значения в июле, в суточном ходе - значения в 16 часов местного времени.

При сравнении полученной карты с картой плотности разрядов, построенной в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете с помощью счетчиков молний за период 1985-1987 гг., получили следующее. Повышенная плотность разрядов отмечается вдоль реки Обь по двум картам, различие состоит в том, что по новой методике в среднем течении реки Обь N пониженная. Основная причина заключается в следующем, за период 1985-1987 гг. по всей области было установлено только 10 счетчиков, т.е. в среднем по одному счетчику на участок площадью 32 000 км2. Спутниковая информация за период 1995-1999 гг. была более подробной, так как осреднение плотности производилось для трапеции в 1° по широте и долготе, т.е. в среднем для участков с площадью 6 400 км2.

Для оценки возможных значений плотности разрядов молнии в землю N по данным числа дней с грозой за год (Т), исследователи обычно используют уравнение:

лг= а-7*

(4)

где 'а' и Ъ'-эмпирические коэффициенты.

Был построен алгоритм для проверки гипотезы "сильной" корреляции для однородных зон, в основу которого положен метод коллективного принятия решения. В качестве исходных были использованы следующие характеристики: среднее число дней с грозой (Т); плотность разрядов молнии в землю, разряды на 1 км2 в год (Ы); значение минимальной высоты местности над уровнем моря в метрах (Н1ш); средние многолетние значения температуры воздуха (^ °C), средние многолетние значения упругости водяного пара, (е, гПа); осредненные по площади значения естественного радиоактивного излучения земли (Яшина» нЗв/ч); осредненные по площади значения потока тепла из недр земли мВт/м2 ); осредненные по площади значения аномалий гравитационного поля Земли мгал). Осреднение характеристик по площади производилось около метеорологических станций в радиусе 10 км. Коллективное решение о принятии или отвержении гипотезы о "сильной" корреляции в зоне строится на сумме индивидуальных решениях по различным характеристикам как проверка значимости коэффициентов корреляции.

Первоначально был проведен анализ по всей совокупности данных территории, однако применение разработанного алгоритма показало низкую коррелируемость рассмотренных параметров и принято решение о необходимости ее разделения. По результатам анализа физико-географических характеристик априорных данных было признано правомерным разбиение мезомасштабной территории на 7 крупных групп (таблица 2): равнина или низина, верхняя часть склона, средняя часть склона, узкая долина, вершина возвышенности или холма, плоскогорье, вершина горы. Анализ корреляционных свойств внутри каждой зоны показал достаточность локализации большинства из них.

Таблица 2 - Значения коэффициентов а и Ь и коэффициенты корреляции (Я) между N и Т для различных топографических групп___

Топографические группы Коэффициенты

а Ь Д

равнина или низина 0.209 0.798 0.37

верхняя часть склона 0.688 0.399 0.26

средняя часть склона 0.039 1.271 0.59

узкая долина 1.006 0.197 0.07

вершина возвышенности или холма 0.030 1.359 0.55

вершина горы 0,213 0,736 0,28

плоскогорье 0,022 1,435 0,60

Наилучшие результаты-связи N и Т получены для плоскогорья, склонов и холмов (в таблице 2 выделены жирным шрифтом). Коэффициенты корреляции значимы с вероятностью 95 % и числом степеней свободы равным 11. Установленные закономерности могут быть использованы для оценки грозоопасности на территориях, не освещенных инструментальными наблюдениями, с похожими топографическими признаками.

В третьей:- главе- анализируется влияние производственной -деятельности людей на грозовую активность, включая роль городов и влияние уровня радиоактивности.

Прохождение грозы над городом вызывает нарушения, в работе электросети и связи, поэтому актуально проанализировать грозовую активность, над городом. Многочисленные исследования влияния индустриальных районов • на грозовую активность проводились в нашей стране - В.П. Колоколов, В.А. Камышанова (1986 г.), М И. Щербань (1985 г.), К.Ш. Хайруллин (1990 г.). По нашим исследованиям, по ежедневным-данным за 11-летний период, над промышленным областным центром Томском, в рабочие дни продолжительность гроз в часах статистически значимо превышает продолжительность гроз в выходные дни. В качестве контрольных населенных пунктов использовались Бакчар и Усть-Озерное, на территории которых нет крупных промышленных предприятий, и отношение продолжительности гроз в часах к грозовым дням в рабочие и выходные дни практически не отличаются (таблица 3).

Таблица 3 - Отношение продолжительности гроз в часах к грозовым дням

Населенный пункт Рабочие дни Выходные дни

Томск 3,1 1,9

Усть-Озерное 2,4 2,4

Бакчар 2,0 2,1

Средние значения плотности разрядов молнии в землю для 41 населенного пункта (68% от всех рассмотренных) южной Германии, включая такие крупные города, как Штутгарт, Кельн, Франкфурт, Манхайм, Нюрнберг и др., статистически значимо превышают (в среднем на треть) фоновые среднее, значение для всей южной Германии. Исключение составили, самый крупный город южной Германии - Мюнхен, а также города Ахен, Саарбрюкен, Регенсбург и др.

При исследовании N над индустриальными городами, по сравнению с близлежащими городами без крупной промышленности получили следующее: над индустриальными городами Штутгарт, Манхайм, Кельн, Нюрнберг и Франкфурт на Майне (в таблице 4 подчеркнуты) отмечается повышенная

плотность разрядов. Согласно таблице 4, влияние города является более существенным фактором в повышенной плотности разрядов, чем орография для городов Штутгарт, Манхайм, Франкфурт на Майне и Кельн. Причиной повышенной плотности разрядов над крупными городами является наличие высотных зданий и большой концентрации аэрозольных частиц, которые служат дополнительными ядрами конденсации при образовании грозовых облаков. Пониженная плотность разрядов над Мюнхеном может быть объяснена следующим: город расположен на окраине системы грозопеленгации, где значительно уменьшается точность измерений.

Таблица 4 - Средняя плотность разрядов молнии в землю для различных городов в индустриальных районах южной Германии. 1992-2002.

Номер Название Высота Средняя Средняя Величина

района города над плотность плотность превышения (+)

уровнем разрядов для или

моря, м для каждого города каждого района уменьшения (-) плотности в индустриальном центре в %.

1 Штуптаот 373 5,6 3,9 +44

Фройденштат 797 2,8

Штеттен 734 3,2

2 Манхайм 96 4,9 43 +14

Веинбейт 553 3,9

Михельштат 453 4.0

3 Франкфурт на Майне 111 4,6 4,1 +12

Кляйн 805 3,8

Фелдберг

Михельштат 453 4,0

4 Кельн 92 2,7 2,1 +29

Бендорф 127 2,4

Ахен 202 13

5 Нюрн^рг 314 2,9 1,9 +53

Вайзенбург 422 и

Бамберг 239 1,7

6 Мюнхен 446 1,8 2,1 -14

Аугсбург 461- 2,6

Мюльдорф • 405 и ■

После Чернобыльской аварии появилось много исследований о влиянии повышенной- радиоактивности на электрическое состояние атмосферы. Основное влияние уровня радиоактивности на состояние и процессы в атмосфере связано с ионизацией и изменением электрического состояния атмосферы. Для дальнейшего исследования этой проблемы проанализирована фоновая естественная радиоактивность южной Германии, концентрация - а -активности аэрозолей и объемная концентрация Л-радиоактивности воздуха.

В результате исследования связи фонового радиоактивного излучения Германии с грозовой активностью нами выявлено, что максимальные значения плотности разрядов молнии и числа дней с грозой соответствуют средним значениям радиоактивного излучения (55-65 нЗв/ч) и характерны для территории базальта и вулканического туфа.

Для двух городов Южной Германии проведен совместный анализ а -активности аэрозолей-и числа дней с грозой за период 1984-1995 гг. На рисунке 4, представлено эмпирическое соотношение концентрации аэрозолей, и числа дней с грозой для Мюнхена. Коэффициенты корреляции между концентрацией аэрозолей и числом дней с грозой для Мюнхена и Оффенбаха равны 0,73 и 0,56 соответственно и статистически значимы с вероятностью 95%.

50

45 • •

к40 |35 Ь 30 ^^^^^ *

25 • ♦

20

1.5 2 г5 КшфцпВс^тЗ 3

Рисунок 4 - Эмпирические соотношения концентрации аэрозолей а -активности (Ияльфа) и числа дней с грозой (Т). Мюнхен. 1984-1991 гг.

Для южной Германии по пяти городам (Саарбрюкен, Фрайбург, Аахен, Франкфурт на Майне и Штутгарт) проведен совместный * анализ данных прямых измерений объемной концентрации радиоактивности воздуха и плотности разрядов молнии в землю за период 1992-1997 гг. Коэффициент корреляции между плотностью разрядов молнии в землю и объемной концентрацией радиоактивности равен 0,55 и значим с вероятностью 95%.

Дополнительно было статистически проанализировано влияние выбросов при штатной работе атомных реакторов на изменение плотности

разрядов молнии в землю для 10 атомных реакторов южной Германии. Все реакторы расположены в схожих ландшафтных условиях - в долинах рек. Сравнивалась средняя плотность разрядов молнии в землю за период 19922002 гг. около атомных реакторов (в квадрате 900 км2) с фоновыми средними значениями для всей южной Германии и отдельно для речных долин. За фоновые значения принимался доверительный интервал N с вероятностью 95% и числом степеней свободы равным-1605 для всей южной Германии и равным 118 для речных долин.

В результате проведенных исследований была статистически установлена повышенная N по сравнению с фоновыми значениями в районе 7 из 10 атомных реакторов, и величина превышение составляет от 13 до 60% от фонового значения.

В - четвертой главе предлагается использовать построенную карту плотности разрядов молнии в землю для Томской области в практических целях - для оценки наиболее вероятных очагов возгорания леса от молнии в малонаселенной Томской области. По проведенному обзору литературы и официальным данным лесоохранных служб, установлено, что количество пожаров, произошедших из-за молнии составляет от 10 до 60% всех зарегистрированных пожаров.

Для Томской области во временном ходе количества пожаров с помощью автокорреляционной функции выявлены периоды 6-7 и 12-13 лет, что совпадает с периодичностью в интенсивности грозовой активности.

Построено регрессионное уравнение, связывающее значения площади лесных пожаров (8, тыс. га) с климатическими характеристиками (средней летней температурой воздуха (^ *С) и средней продолжительностью гроз в часах (П)):

5 = 9.8х/ + 0.24хЯ-152 (5)

Уравнение статистически значимо с вероятностью не менее 95%. Приведенное уравнение позволяет приблизительно оценить ожидаемую площадь лесных пожаров в зависимости от ожидаемых средних летних температур воздуха и грозовой активности.

В результате проведенных исследований были сформулированы следующие рекомендации для лесоохранных служб в Томской области: 1. Пожары, возникшие из-за молний наиболее продолжительные и обширные по площади распространения, следовательно, наиболее опасные. В Томской области выделяются очаги по продолжительности гроз в часах и по плотности разрядов молнии в землю. По продолжительности гроз в часах это южная часть области (южнее р. Чулым) и северо-восточная территория (междуречье pp. Тым • и

Пайдугина). По плотности разрядов молнии в землю выделяются два района: первый - между реками Обь и Чулым, в районе населенных пунктов Батурине - Кривошеино - Красный Яр; второй - в верхнем течении р. Оби от Александровского до Усть-Тыма. Именно эти районы необходимо держать под особым наблюдением в оперативной работе по обнаружению и ликвидации лесных пожаров.

2. При авиапатрулировании в районе долины р. Обь необходимо особое внимание уделять в период с 9 до И и с 15 до 16 часов, так как в это время суток отмечается наибольшая плотность разрядов молнии в землю.

3. Учет расположения очагов грозовой активности на карте-схеме продолжительности гроз в часах и карте-схеме плотности разрядов молнии в землю, а также прогностических повышенных значений температуры воздуха в теплый сезон позволит проводить целенаправленное авиапатрулирование в потенциально наиболее пожароопасных районах.

4. Временной ход количества лесных пожаров для Томской области имеет периодическую составляющую в 6-7 и 12-13 лет. Возможен прогноз сезонов с наибольшим количеством лесных пожаров при учете прошлых максимумов количества пожаров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным для умеренных широт.

2. Построена карта грозопоражаемости для Томской области. Наиболее высокая поражаемость наблюдается вдоль верхнего и нижнего течения реки Обь. Среднее значение плотности разрядов составляет 1,3 разр./км2 год. Максимально возможные значения плотности разрядов для Томской области могут достигать 14.6 разрУ км2 год.

3. Получена удовлетворительная пространственная аппроксимация значений плотности разрядов молнии в землю по значениям среднего числа дней с грозой для плоскогорий, склонов и холмов.

4. Установлено, что значения САРЕ (индекс конвективной потенциальной энергии) для сроков с разрядами молний превосходят значения САРЕ для сроков без разрядов в 2.5 раза. Значения САРЕ более 1000 Дж/ кг соответствуют долгоживущим грозам.

5. Определены физико-статистические параметры молнии, используемые при проведении грозозащитных мероприятий:

• Средние значения плотности разрядов молнии в землю (Ы) изменялись от 0,9 разр/км2 год до 3,5 разрУкм2 год, стандартное отклонение соизмеримо со средними значениями. Распределение Т и N соответствует нормальному закону распределения с высокой достоверностью.

• Величина тока молнии / изменяется от 3 до 186 кА, со средним значением - 23 кА, стандартное отклонение составляет 15 кА. Распределение / удовлетворительно описывается нормальным логарифмическим законом. В 50% случаев величина силы тока не превосходит 15 кА и в 95% величина силы тока не превосходит 55 кА.

• Большинство молний (93 %) переносило отрицательный заряд.

6. Исследования влияния городов на грозовую активность выявили:

• Над индустриальным Томском в рабочие дни продолжительность гроз в часах статистически значимо превосходит продолжительность гроз в выходные дни.

• Значения плотности разрядов молнии для 41 населенного пункта (68% от общего количества) южной Германии, включая крупные города, такие как Штутгарт, Кельн, Франкфурт, Манхайм, Нюрнберг, статистически значимо превышают (в среднем на треть) фоновые значение плотности разрядов 'молнии в землю, что необходимо учитывать при проектировании молниезашитных мероприятий.

• Влияние города является более существенным фактором в повышенной плотности разрядов, чем орография для городов Штутгарт, Манхайм, Франкфурт на Майне и Кельн.

7. Влияние повышенного уровня радиоактивности и геологического строения на грозовую деятельность проявляется в следующем:

• Максимальные значения плотности разрядов молнии и числа дней с грозой соответствуют средним значениям естественного радиоактивного излучения (55-65 нЗв/ч) и характерны для территории базальта и вулканического туфа.

• Между концентрацией а-активности аэрозолей и числом дней с грозой обнаружена положительная статистически значимая корреляционная связь.

• Между объемной концентрацией Р-радиоактивности воздуха и N существует статистически значимая положительная корреляционная зависимость.

• В районе атомных станций отмечается статистически значимая повышенная плотность разрядов молнии в землю.

8. Показано, что лесные пожары от молний наиболее опасны, так как продолжительность и площадь таких пожаров наибольшая.

9. Установлено, что временной ход количества лесных пожаров для Томской области имеет периодическую составляющую в 6-7 и 12-13 лет, что совпадает с периодичностью в интенсивности грозовой активности, и может быть учтено при планировании лесоохранных мероприятий.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Dependence of density of lightning discharges to the ground on physyco-geographical factors of locality // Proceedings of the 6 111 Russian-Korean International Symposium on Science and Technology (KORUS-2002). -Novosibirsk, 2002. - P. 414-417 (co-authors Gorbatenko V.P., Dulzon A.A, Reshetko M.V.).

2. Влияние естественных и антропогенных факторов на грозовую активность // Обской вестник. - 2001. - № 1. -С. 40-46 (в соавторстве с Горбатенко В.П., Решетько М.В.).

3. Temporal variations of thunderstorm activity // Environment of Siberia, the Far East, and the Arctic: Selected Paper presented at the International Conference ESFEA 2001. - Tomsk, 2001. - P.67-72. (co-authors Gorbatenko V.P.).

4. Плотность разрядов молнии в землю по спутниковым данным для Томской области // Пятое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу: Материалы совещания. — Томск.- 2003. -С.141-143. (в соавторстве с Решетько М.В.).

5. Spatial inhomogenety of thunderstorm // Proceedings of the 22 lh International Conference on Lightning Protection. September 19-23. -Budapest, 1994. - P. 92-93. (co-authors Gorbatenko V.P., Dulzon A.A.).

6. О влиянии повышенной радиоактивности на грозовую активность // Радиационная безопасность Урала и Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург, 1997. - С. 72-73. (в соавторстве с Дульзон А.А., Горбатенко В.П., Решетько М.В.).

7. О влиянии антропогенных факторов на грозовую' активность // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов седьмой всероссийской научно-технической конференции. Томск: Изд-во ТПУ, 2001. - Т. 1. - С. 248-251. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

8. О влиянии некоторых факторов на грозовую деятельность // 5 Международный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика МА Усова, посвященного 100-летию горногеологического образования в Сибири: Сб. научн. трудов. - Томск: Изд-B0SST,2001.-G. 607-608.

9. Естественная фоновая радиоактивность и грозовая деятельность // Современные техника и технологии: Труды VIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2002. - Т.1. - С. 29-31. (в соавторстве с Дульзон А.А., Горбатенко В.П.).

10. К вопросу о влиянии геологических факторов на грозовую активность //

6 Международный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова: Сб. научн. трудов. - Томск: Изд-во ISST, 2002. - С. 483-485.

11. Плотность разрядов молнии в землю и продолжительность гроз в часах // Проблемы, гляциогидроклиматологии Сибири и сопредельных территорий: Материалы научно-практической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения М.В. Тронова (18-19 ноября 2002). - Изд-во Томского ун-та, 2002. - С. 96-97.

12. Влияние температуры воздуха на грозовую деятельность // Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы: Материалы IV межвузовская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. -Томск, 2000. - Т. 1."Естественные и точные науки". - С. 153-158. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

13. Циклоны над юго-востоком Западной Сибири // Четвертое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу: Тезисы докладов. -Томск, 2001.-С. 19-20.

14. Повторяемость циклонов над юго-восточной частью Западной Сибири // Географические проблемы Западной Сибири: Материалы региональной научной- молодежной конференции. - Томск, 2000. - С. 22-24. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

15. О зависимости плотности разрядов молнии в землю от различных типов ландшафтов // Современные техника и технологии: Труды VII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2001. - Т. 1. - С. 30-33. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

16. Цикличность повторяемости синоптических процессов // Четвертое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу: Тезисы докладов. - Томск, 2001. - С. 15-16. (в соавторстве с Горбатенко В.П. и Решетько М.В.).

17. Характеристика циклонов и антициклонов над Западной Сибирью // Экология. Сибири, Дальнего Востока и Арктики: Тезисы докладов. -Томск, 2001. - С. 9. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

18. Временные изменения грозовой активности // Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики: Тезисы докладов. - Томск, 2001. - С. 10. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

19. Факторы, влияющие на неоднородность грозовой деятельности // Областная научно-практическая конференция молодежи и студентов по техническим* наукам и высоким технологиям: Тезисы докладов.. -Томск, 1995.-С. 35-36.

20. The structure of long-term series of number of thunderstorm // Proceedings of the 12th International Conference on Atmospheric Electricity. 9-13 June

(ICAE 2003). - France, Versailles, 2003. - P. 155-159. (co-authors Gorbatenko V.P., Dulzon A.A., Ippolitov I.I., Kabanov M.V., Loginov S.V.).

21. Сравнительный анализ инструментальных наземных и спутниковых наблюдений над грозовой активностью // Пятая Российская конференции по атмосферному электричеству, Владимир. 21-26 сент. 2003: Сб. научн. тр. - Владимир, 2003. -T.I'. - С. 314 - 315. (в соавторстве с Дульзон А.А., Горбатенко В.П., Решетько М.В.).

22. Анализ структуры многолетних рядов грозовой активности // Пятая Российская конференции по атмосферному электричеству, Владимир. 21-26 сент. 2003: Сб. научн. тр. - Владимир, 2003. -Т.1. - С. 316 - 319. (в соавторстве с Горбатенко В.П., Дульзон А.А., Кабановым М.В., Ипполитовым И.И., Логиновым СВ.).

23. Соотношение данных о плотности разрядов молнии в землю и числа дней с фозой над различными ландшафтами // Пятая Российская конференции по атмосферному электричеству, Владимир. 21-26 сент. 2003: Сб. научн. тр. - Владимир, 2003. - Т. 1. - С. 321 - 324. (в соавторстве с Горбатенко В.П., Дульзон А.А. и Решетько М.В.).

24. Influence of climatic conditions on forest fires // Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики (EESFEA-2003). Томск. 27-31 октября 2003: Материалы конференции. - Томск, 2003. - Т. 2. - С. 190. (co-author Gorbatenko V.P).

25. Спутниковые данные о грозах для Томской области // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов девятой всероссийской научно-технической конференции. Томск: Изд-во ТПУ, 2003. - Т. 2. - С. 69-71. (в соавторстве с Горбатенко В.П.).

26. О роли климатических факторов в возникновении лесных пожаров на территории Томской области // Современные техника и технологии: Труды IX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2003. - T.I. — С. 216218 (в соавторстве с Горбатенко В. П. и Дульзон А.А.).

27. Роль гроз в возникновении лесных пожаров // 7 Международный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова: Сб. научн. трудов. - Томск: Изд-во ISST, 2003. - С. 726-727.

ООО «ниш г. Томск, ул. Советская, 47, тел.: 63-14-70 Злка» Z4. Тнраж 100 sus. 24 стр.

i-567 1

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ершова, Татьяна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Источники информации о грозовой активности.

1.1.1. Визуально-слуховые наблюдения.

1.1.2. Счетчики разрядов молнии в землю.

1.1.3. Радиолокационные наблюдения.

1.1.4. Наземная система местоопределения молний.

1.1.5. Спутниковые наблюдения за молниями.

1.2. Факторы, определяющие неоднородность пространственного распределения грозовой активности.

1.2.1 .Синоптические процессы, обуславливающие грозы.

1.2.1.1. Над Западной Сибирью.

1.2.1.2. Над Южной Германией.

1.2.2. Влияние орографии на плотность разрядов молнии в землю.

1.2.3. Влияние климатических характеристик на пространственное распределение грозовой активности.

1.2.4. Аномалии геофизических полей.

1.2.5. Влияние уровня радиоактивности на грозовую активность.

1.2.5.1. Основные источники ионизации атмосферы.

1.2.5.2. Влияние повышенной радиоактивности на электрическое состояние и грозовую активность атмосферы.

1.2.6. Влияние городов на грозовую активность.

2. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПЛОТНОСТИ РАЗРЯДОВ МОЛНИИ В ЗЕМЛЮ.

2.1.Характеристика материала исследования.

2.1.1 .Статистическая обработка данных.

2.1.1.1. Проверка рядов на однородность.

2.1.1.2. Физико-статистические параметры молний.

2.1.1.3. Проверка близости распределения нормальному закону.

2.1.2. Пространственное распределение характеристик грозовой активности на территории южной Германии.

2.1.2.1. Пространственное распределение числа дней с грозой.

2.1.2.2. Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землю по наземной системе пеленгации.

2.1.2.3. Сравнительный анализ карт плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой.

2.1.3. Синоптическая ситуация при молниевых разрядах.

2.1.3.1. Циклоны над юго-востоком Западной Сибири.

2.1.3.2. Отношение количества грозовых разрядов к типу синоптической ситуации над Центральной Европой.

2.1.3.3. Количество разрядов молнии в землю и данные радиозондирования.

2.2. Метод оценки плотности разрядов молнии по спутниковым данным.

2.2.1. Сравнительный анализ наземных и спутниковых данных наблюдений для южной Германии.

2.2.2. Проверка полученных значений с помощью критерий X.

2.2.3. Оценка плотности разрядов молнии в землю для

Томской области.

2.2.4. Сравнение полученных результатов с предыдущими исследованиями.

2.2.4.1. Сравнение с картой плотности разрядов молнии в землю по счетчикам молний 1985-1987 гг.

2.2.4.2. Сравнение с картами, построенными по визу ал ьн ым н аб л юде н и я м.

2.2.5. Оценка максимально возможных значений плотности разрядов

• для Томской области.

2.2.5.1.Оценка поправки на годовой ход плотности разрядов.68 2.2.5.2. Оценка поправки на суточный ход плотности разрядов молнии в землю.

2.3. Соотношение данных о плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой.

2.3.1. Оценка эмпирических коэффициентов для отдельных

• метеостанций.

2.3.2. Проверка гипотезы о зоне "сильной" корреляции.

2.3.3. Оценка эмпирических коэффициентов для различных топографических групп.

3. ВЛИЯНИЕ НА ГРОЗОВУЮ АКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЮДЕЙ (ВКЛЮЧАЯ ВЛИЯНИЕ ГОРОДОВ) И УРОВНЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ.

• 3.1. Влияние на ¡розовую активность производственной деятельности людей (включая влияние городов).

3.1.1. Анализ грозовой активности на территориях с различной степенью устойчивости к антропогенным нагрузкам в Т'омской области.

3.1.2. Грозовая активность в рабочие и выходные дни для

Томской области.

• 3.1.3. Сравнение плотности разрядов молнии в землю над городами со средней плотностью над южной Германией.

3.1.4. Плотность разрядов молнии в землю в шести индустриальных районах южной Германии.

3.2. Анализ характеристик грозовой активности в зависимости от уровня радиоактивности.

3.2.1. Естественная фоновая радиоактивность и грозовая активность.

3.2.2. а-активность и число дней с грозой.

3.2.3. Влияние суммарной ß - радиоактивности воздуха на плотность разрядов молнии в землю.

3.2.4. Влияние штатной работы ядерных реакторов на плотность разрядов молнии в землю.

4. РОЛЬ МОЛНИЙ В ВОЗНИКНОВЕНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ТЕРРИТОРИИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Причины возникновения и распространения лесных пожаров (обзор литературы).

4.2. Роль молний - как главного природного источника лесных пожаров.

4.3. Влияние повышенных температур воздуха на число и площадь пожаров.

4.4. Временной ход характеристик пожаров.

4.5. Совместное влияние на площадь пожаров комплекса климатических характеристик - продолжительности гроз в часах и температуры воздуха.

4.6. Рекомендации для лесоохранных служб Томской области.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности"

С вопросами молииезащиты и пространственного распределения молниевых разрядов приходится сталкиваться специалистам многих отраслей, таких как энергетика, связь, строительство, авиация, космическая промышленность, сельское и лесное хозяйство. Возрастает количество высотных зданий и площадь застройки; в промышленности применяются горючие и взрывоопасные вещества; в электронике и связи чаще применяются чувствительные электронные приборы, которые чутко реагируют на возмущения, вызванные грозовыми разрядами. Результатом повреждений могут быть нарушения нормального функционирования производства, и в отдельных случаях поражения молнией приводят к трагическим последствиям.

В России основными источниками информации о грозоопасности территории являются визуально-слуховые наблюдения на метеорологических станциях и эпизодические инструментальные наблюдения. Вопросами грозового электричества и пространственного распределения характеристик грозовой активности в нашей стране занимаются в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, в Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского, в Высокогорном геофизическом институте на Кавказе и во многих других исследовательских центрах. Работы по исследованию характеристик грозовой активности и молииезащиты электрических сетей в лаборатории молииезащиты НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете ведутся с 1969 года. Данная диссертационная работа является продолжением и развитием этих исследований. Для немногих регионов пашей страны построены карты удельной поражаемостп молниями и изучены региональные среднестатистические параметры молнии.

Существует необходимость изучать пространственное распределение грозовой активности для территорий, обладающих плотной сегыо традиционных наблюдений за грозами и современными инструментальными наблюдениями (наземными и спутниковыми) с тем, чтобы применит!» полученные результаты в регионах с редкой сетью.

В литературе широко обсуждаются вопросы о причинах пространственной неоднородности фозовой активности, таких как высота места над уровнем моря, температура воздуха и характеристики влажное! и. Дополнительными факторами, влияющими на неоднородность грозовой активности, являются аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли, влияние городов и повышенного уровня радиоактивности. Возрастает необходимость в исследовании пространственного распределения грозовой активности, что особенно актуально для интенсивно осваиваемой территории Западной Сибири. Исследование региональной грозовой активности имеет как познавательное, так и большое практическое значение. Охрана лесов от пожаров и обеспечение надежной молниезащиты энергетических объектов, в том числе атомных реакторов - наиболее перспективные сферы приложения результатов исследования пространственного распределения грозовой активности. Решению этих вопросов и посвящена данная работа.

Целью работы является изучение физико-статистических параметров молнии и особенностей распределения плотности разрядов молнии в землю (¿\г) на основе наземных и спутниковых инструментальных наблюдений за грозами для разработки рекомендаций лесоохранным службам от пожаров.

Задачи исследования Разработка метода определения плотности разрядов молнии в землю на основе спутниковых наблюдений.

Выявление факторов, приводящих к неоднородности пространственного распределения грозовой активности.

Определение роли молний, как основного природного источника пожаров.

Исходный материал и методика

Для исследований выбрана территория Томской области и южная Германия. Для Томской области анализировались визуальные наблюдения на 23 метеорологических станциях с 1951 по 1995 гг. Территория Германии выбрана в качестве полигона исследования, для которого были доступны качественные данные многолетних визуальных (1951-2002 гг.) и инструментальных наблюдений (1992-2002 гг.). Для обеих территорий за период 1995-1999 гг. использованы данные наблюдения за грозовыми разрядами со спутника "Microlab-l". Методом исследования является корреляционно-статистический анализ многолетних данных наблюдений за грозами. Обработка данных наблюдений производилась на ГНС с помощью пакетов прикладных программ (Statistica, Statgraphics plus for Windows, Blitzstatistika, Exsel), использующих стандартные методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

2. Установлено статистически значимое влияние городов на увеличение плотности разрядов молнии в землю по сравнению с фоновыми значениями.

3. Установлено статистически значимое влияние повышенной радиоактивности над атомными реакторами южной Германии на плотность разрядов молнии в землю.

4. Определена роль молний в возникновении и распространении крупных лесных пожаров.

Положения, выносимые на защиту

1. Среднестатистические характеристики молний, используемые в молниезащите.

2. Закономерности влияния промышленных городов на пространственное распределение грозовой активности.

3. Закономерности влияния повышенного уровня радиоактивности на грозовую активность.

4. Метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

Практическая ценность

Построенная карта разрядов молнии в землю для Томской области может представлять практический интерес при проектировании линий электропередачи и планировании лесоохранных мероприятий.

Полученные эмпирические уравнения о связи различных характеристик гроз, а также значения среднестатистических параметров молний представляют практический интерес и могут быть использованы для молниезащитных мероприятий.

Разработанные рекомендации по наиболее вероятным очагам возгорания от молний и наиболее пожароопасным годам для Томской области, используются авиационной базой охраны лесов.

Апробация работы

Содержание работы и ее основные положения доклады нал и сь на Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству (г. Владимир, 21-26.09.2003), 12 International Conference on Atmospheric Electricity - ICAE 2003 (France, Versailles, 9-13.06.2003), VI Русско-корейском международном симпозиуме науки и технологий - KORUS-2002 (г. Новосибирск, 24-30.06.2002), Четвертом и пятом сибирском совещаниях по климато-экологическому мониторингу (г.Томск, 20.04.2001, 25-27.06.2003), I и II Международной конференции "Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики" (Томск, 5-8.09.2001, 27-31.10.2003), VII - IX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии'" (Томск, 26.02-2.03. 2001, 8-12.04.2002 и 7-9.04.2003), V - VII Международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова "Проблемы геологии и освоения недр" (Томск, 9-13.04.2001, 1-5.04.2002, 1418.04.2003), Региональной научной молодежной конференции "Географические проблемы Западной Сибири" (Томск, 21-23.12.2000), IV Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы" (Томск, 2429.04.2000), VII - IX Всероссийских научно-технических конференциях "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 5-7.12.2001, 13.12.2002, 3-5.12.2003), Научно-практической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения М.В. 'Громова "Проблемы гляциогидроклиматологии Сибири и сопредельных территорий" (1819.11.2002), на семинарах НИИ высоких напряжений при ТПУ.

По теме диссертации опубликовано 27 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из 4 глав.

В первой главе приводится описание основных источников информации о грозовой активности. Произведен обзор литературы о причинах пространственной неоднородности грозовой активности, таких как синоптическое состояние атмосферы, орография, темиературно-влажностные неоднородности, геофизические неоднородности земной поверхности (аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли). 15 качестве дополнительных причин неоднородности приводятся повышенная радиоактивность (после аварии на Чернобыльской АЭС) и влияние городов.

Во второй главе описывается разработанный метод опенки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным. Метод построен на сравнении результатов регистрации молний по наземной и спутниковой системам в южной Германии. В дальнейшем полученные уравнения для равниншлх участков Германии применяются для схожего ландшафта Томской области. Оцениваются максимально возможные значения плогносш разрядов молнии в землю, для этого вводятся поправки на годовой и суточный ход грозовой активности. Разработан алгоритм выделения районов "сильной" корреляции с использованием статистических характеристик данных. В основу проверки "сильной" корреляции внутри однородных районов положен метод коллективного принятия решения. Уточнены эмпирические коэффициенты в уравнениях пересчета плотности разрядов молнии по данным о числе дней с грозой для плоскогорий, склонов и холмов.

В третьей главе анализируется антропогенное влияние на ¡розовую активность, включая роль городов и влияние уровня радиоактивности (гамма фона, альфа- и бета-активности) на грозовую активность. Анализируется влияние штатной работы атомных реакторов на плотность разрядов молнии в землю.

В четвертой главе рассмотрена роль молнии на характеристики лесных пожаров. Разрабатываются рекомендации лесоохранным службам Томской области относительно наиболее опасных очагов возгорания от молний. Строится прогноз о ближайших возможных годах с повышенной пожароопасностыо.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Ершова, Татьяна Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе исследований, изложенных в данной работе, автором исследованы физико-статистические параметры молний и особенности пространственного распределения грозовой активности на основе данных наземной и спутниковой систем местоопределения молний.

Работа проводилась в соответствии с техническим заданием госбюджетной работы "Исследование взаимосвязи грозовой деятельности и состояния природной среды", а также при поддержке гранта фонда ЕЫВ\¥ технического университета во время стажировки в Институте метеоролог ии и климатологии Исследовательского центра г. Карлсруэ (Германия).

Полученные результаты применены в разработке рекомендаций для лесоохранных служб от пожаров.