Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в Северо-Кавказском регионе РФ

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в Северо-Кавказском регионе РФ"

На правах рукописи

Шаповалов Максим Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПАСНЫХ БЫСТРОРАЗВИВАЮЩИХСЯ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В СЕВЕРО-КАВКАЗСКОМ РЕГИОНЕ РФ

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

29 АПР 2015

Нальчик - 2015

005568038

005568038

Диссертация выполнена в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», в отделе физики облаков.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Аджиева Аида Анатольевна

доктор физико-математических наук, доцент, Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет

Кузнецов Анатолий Дмитриевич

доктор физико-математических наук, профессор, Российский государственный гидрометеорологический университет

Сенов Хамиша Машхариевич

доктор физико-математических наук, профессор, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М.Бербекова

Институт информатики и проблем регионального управления Кабардино-Балкарского научного центра РАН, г. Нальчик

Защита состоится 19 июня 2015 г. в 1500 на заседании диссертационного Совета Д.327.001.01 при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Автореферат разослан «18» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

Н. В.Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Безопасность жизнедеятельности людей и защита различных объектов от воздействия опасных явлений погоды, таких как: ливни, грозы, град, смерчи, определяются следующими основными факторами. Во первых - это степень их изученности, возможность математического описания физических процессов в них, оценка их потенциальных характеристик, математическое моделирование эволюции при определенных состояниях атмосферы. Во вторых - это своевременное обнаружение опасных явлений радиотехническими средствами на большом удалении, оценка степени их опасности, прогноз траектории, скорости распространения, учащенный контроль их состояния и др.

Оба этих направления достаточно интенсивно развиваются в мире и в нашей стране. Развиваются модели, описывающие динамику грозоградовых процессов, развиваются наземные и космические средства мониторинга опасных явлений погоды (ОЯП), создаются оперативные региональные и государственного уровня центры штормового оповещения. Развиваются методы усвоения данных наблюдений и комплексирования информации, полученной по различных физическим каналам. В результате появились так называемые системы наукастинга, объединяющие мезомасштабные модели тропосферы и данные натурных наблюдений для текущего прогноза ОЯП.

Существенные результаты получены за последние десятилетия как по физике облаков, так и по радиолокационной метеорологии. Большой вклад в развитие метеорологической науки внесли коллективы ЦАО, ГГО, ВГИ, РГГМУ, ИЭМ и др. Математическое моделирование облаков получило широкое развитие в нашей стране (Е.Коган, ЛКачурин, В.Хворостьянов, И.Мазин, Б.Сергеев, М.Буйков, В.Бекряев, Р.Пастушков, Б.Ашабоков и др.) и за рубежом (Р.Орвил, Р.Фарлей, Т.Кларк и др.). Результаты численного моделирования способствовали установлению основных закономерностей образования и развития конвективных облаков и основных процессов, приводящих к формированию и росту частиц осадков.

Наряду с успехами, достигнутыми в физике облаков за последние десятилетия, следует отметить, что некоторые вопросы еще остаются малоизученными. Это относится, прежде всего, к процессам в облаках

с участием ледяных частиц, электричеству облаков, взаимодействию процессов в облаках и т.д.

Важной задачей является также поиск взаимосвязанных и взаимоопределяющих предикторов развития опасных атмосферных явлений и разработка на этой основе методов контроля тенденций их развития. Их создание позволит в значительной мере повысить надежность и своевременность штормовых предупреждений. Знание причин возникновения и характера стихийных бедствий позволяет при заблаговременном принятии мер защиты, при разумном поведении населения в значительной мере снизить все виды потерь. Одна из главных проблем, которая сегодня выходит на первый план -правильное прогнозирование возникновения и развития стихийных бедствий, заблаговременное предупреждение, как органов власти, так и населения о приближающейся опасности.

Цель работы

Цель диссертационной работы заключается в исследовании закономерностей трансформации микроструктурных и электрических параметров опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в атмосфере в Северо-Кавказском регионе, а также в разработке программных средств комплексной обработки информации штормооповещения.

В соответствии с поставленной целью, сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Проведение численных экспериментов и анализ результатов моделирования параметров грозоградовых процессов на основе трехмерной нестационарной модели с детальным описанием термодинамических, микрофизических и электрических процессов.

2. Исследование особенностей трансформации микроструктурных и электрических параметров мощных конвективных процессов при различных состояниях атмосферы.

3. Разработка программных средств приема, архивации и отображения данных радиолокации и грозопеленгации, анализа объединенной информации с целью идентификации опасных явлений погоды.

4. Выявление особенностей пространственно-временной динамики грозовой активности и параметров молний в СевероКавказском регионе по данным наблюдений.

5. Разработка элементов системы наукастинга опасных быстроразвивающихся явлений погоды.

Объектом исследования являются опасные конвективные процессы — ливни, грозы, град, развивающиеся на территории СевероКавказского региона РФ.

Материалы и методы исследования

Использованы данные полевых наблюдений облаков с помощью метеорологических радиолокаторов МРЛ-5 и ДМРЛ-С, характеристики гроз, полученные в «ВГИ» с использованием современной грозопеленгационной системы ЬБ 8000 мирового уровня, данные аэрологического зондирования и др.

При выполнении работы использована развитая численная трехмерная модель конвективного облака с учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов. Модель реализована с применением конечно-разностных методов.

При анализе данных наблюдений использовались корреляционно-регрессионный анализ, спектральный анализ рядов, аппроксимация и экстраполяция и др.

Научная новизна исследования

Научная новизна работы заключается в следующем:

• На основе математического моделирования впервые исследованы особенности развития опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в Северо-Кавказском регионе, определена динамика изменения параметров грозоградовых облаков на стадии роста и максимального развития;

• Исследованы электрические характеристики мощных конвективных облаков в различные моменты времени и их взаимосвязь с микроструктурными параметрами;

• Исследовано влияние электрической коагуляции на скорость образования осадков в грозоградовых облаках;

• Разработано программное обеспечение приема и комплексной обработки радиолокационных и грозопеленгационных данных с целью идентификации и текущего прогноза опасных явлений погоды;

• Проведены исследования грозоразрядной деятельности на территории региона и ее взаимосвязь с метеорологическими параметрами и рельефом.

Теоретическая и практическая значимость работы

• Исследование взаимодействия различных процессов в облаках расширяет теоретическую базу знаний по физике облаков;

• Результаты моделирования опасных быстроразвивающихся конвективных процессов могут применяться в программно-

математическом обеспечении комплексной обработки данных штормооповещения;

• Районирование территории Северного Кавказа по частоте проявления опасных гидрометеорологических явлений позволят учитывать риски, связанные с ними, в стратегиях социально-экономического развития региона;

• Результаты диссертационного исследования могут быть использованы для усовершенствования методов и средств контроля опасных явлений погоды, а также для создания региональных систем текущего прогноза их перемещения и интенсивности.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты численного моделирования микроструктурных и электрических параметров мощных конвективных процессов в СевероКавказском регионе.

2. Программно-математическое обеспечение приема и комплексного анализа радиолокационной и грозопеленгационной информации для целей штормооповещения.

3. Результаты исследований влияния физико-географических и орографических особенностей Северного Кавказа на развитие атмосферных процессов и метеорологических явлений в регионе.

Личный вклад автора

Совместно с научным руководителем сформулированы цель и задачи диссертационного исследования. Самостоятельно проведены численные эксперименты по исследованию динамики развития мощных конвективных облаков при различных состояниях атмосферы, проанализированы результаты.

При участии научного руководителя уточнены закономерности физико-географических характеристик гроз и параметров молний в Северо-Кавказском регионе.

Автором лично разработаны алгоритмы и программное обеспечение по комплексному анализу радиолокационных, грозопеленгационных и спутниковых данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью аналитических и численных методов исследования, большим массивом информации и широкой сравнительной базой. Использованы современные интегрированные системы разработки математических моделей и прикладного программного обеспечения, которые включают средства детального контроля и отладки.

Апробация работы

Полученные в ходе выполнения диссертационного исследования результаты докладывались и обсуждались на:

Международном симпозиуме «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», посвященном 20-летию КБНЦ РАН, г. Нальчик, 28 июня-3 июля 2013; Международной научной конференции с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», г. Ставрополь, 23-26 сентября 2013 г; Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР, г. Нальчик, 7-9 октября 2014; на Общегеофизических семинарах и Итоговых сессиях Ученого совета ФГБУ "ВГИ".

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 10 работах, в том числе 4 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных исследований.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 128 страниц, включая 32 рисунка и список литературы из 112 наименований работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлены результаты анализа материалов публикаций, посвященных исследованию термодинамических, микрофизических и электрических процессов в конвективных облаках^

Проведен анализ современных математических моделей отечественных и зарубежных авторов с учетом электрических процессов, результатов моделирования, полученных на основе этих моделей.

Приведены характеристики Северо-Кавказского региона по количеству опасных явлений погоды, в частности, гроз.

Отмечены проблемы, которые требуют дальнейшего исследования.

Во второй главе представлена трехмерная нестационарная модель конвективных облаков с детальным учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов, на основе которой проведены исследования развития опасных конвективных процессов в тропосфере на примере Северо-Кавказского региона РФ.

Математическая модель конвективного облака включает уравнения гидротермодинамики, микрофизики и электростатики.

Гидротермодинамический блок модели состоит из уравнений движения, описывающих влажную конвекцию в приближении Буссинеска, в которых учитывается адвективный и турбулентный перенос, силы плавучести, трения и барических градиентов:

Микрофизический блок описывает процессы нуклеации, конденсации, коагуляции капель с каплями, сублимации, аккреции, замерзания капель, осаждения облачных частиц в поле силы тяжести, их перенос воздушными потоками, а также взаимодействие облачных частиц под влиянием электрического поля облака. Система уравнений

для функций распределения по массам капель Г ледяных

частиц Г2( Г ,т,1:) и осколков замерзания капель Г3( Г имеет следующий вид:

<?/ дх ду " д2 I 31 I 31 )кг I. 31 )АК I. д1 )ДР { 31 )3 71 1

81 & ду г'д2 У а )с Кд1)АК и Л У2 2

31 дх ду г' дг \ 31 ), I, 31 )АК М

где У^гп), У2(т) - установившиеся скорости падения жидких и твердых частиц; (Щ , , , (уЛ , (8[Л - изменения

и^лг {а)м

функции распределения капель за счет микрофизических процессов конденсации, коагуляции капель, аккреции капель и кристаллов, дробления и замерзания соответственно; (а/Л , (а/г , (а/2 Л

и* Ус I 31 )АК { Ы )3 изменения функции распределения кристаллов за счет сублимации, аккреции и замерзания капель; (, - изменения функции

)3 I а/ )лк

распределения Г за счет образования осколков при спонтанном замерзании облачных капель и аккреции.

Для системы уравнений (1) используются следующие начальные и граничные условия:

,т,0) = и? ,т,0) = Н Г ,т,0) = 0, (2)

Г ,т,0 = Г ,т,0 = Г3( Г ,тД) = 0 при х=0,Ц,

Г ,т,1) = и Г ,т,1) = и Г ,т,1) = 0 при у=0,Ц,

^(Г ,тД) = ?;(Г ,тД) = 0 при , (3)

= £Л = £Л = о при г=0. дх дг д2

Для описания коагуляционных процессов в облаке применяется интегро-дифференциальное уравнение в виде:

(?1 (4)

\ы)кг о

т/2

+ ^(г.т - т'ЛЩт.т - тОЦг.тМ^т',

О

гДе РДш.ш') = п(г(т) + г(т'))2 -^(т)-У,(т')|■ Е^ш.т')> г(т) и г(т') -радиусы сталкивающихся частиц; У^т) и У^т') - их скорости падения; Е^п^т') - коэффициент захвата для капель.

Расчет взаимодействия капель и кристаллов проводится на основе следующих соотношений:

. с* Лк о

= -^(г.тД) |р2(ш,т') • Г1(г,шМ)ёт' +

. & Лк о

(6)

+ }р2(т,ш - т%(г,т - т'.О^Ог.т'.ОАп', 4 ;

0

где р2(т,т') =

1(г(га) + г(т')),-|У1(т)-У2(т')|-Е!(га,т')1 Е2 - коэффициент

захвата для капель и кристаллов. При этом предположено, что столкновение кристаллов с каплями приводит к замерзанию последних.

В отличие от разработанных в ВГИ, а также других моделей, в представленной здесь модели учитываются плотности объемных зарядов в облаке, потенциал и напряженность электрического поля, создаваемого этими зарядами, детально рассматривается влияние электрического поля облака на микрофизические процессы взаимодействия облачных частиц и обратное влияние микроструктуры на электрические параметры.

В данной работе детально учитываются процессы электризации облачных частиц на основе полученных закономерностей развития конвективной деятельности облаков и значений коэффициентов разделения зарядов, связанных с замерзанием капель воды, ростом крупы и градин и взаимодействием градин с кристалликами льда и переохлажденными каплями.

За счет микрофизических процессов замерзания капель и аккреции в облаке идет накопление отрицательного заряда на ледяных частицах. Одновременно формируется положительный заряд, состоящий из зарядов отдельных частиц - осколков замерзания капель.

Для замерзающих капель, диаметр которых больше 200 мкм, с достаточной точностью процесс электризации описывается эмпирическим выражением

(7)

где ш - масса замерзшей капли, а - коэффициент пропорциональности, значение которого меняется в зависимости от содержания примесей в капле и температуры ее замерзания (ажЗ,5-Ю"10 Кл/г при Т=-8...-16°С).

На крупных кристаллах, крупе и градинах накапливается электрический заряд за счет захвата переохлажденных капель. Заряд пропорционален массе замерзшей на них воды. При этом коэффициент пропорциональности зависит от температуры растущей частицы, а также от концентрации и химического состава примесей в облачной воде и принимает значение от Ю"10 до 10~8 Кл/г.

Образование осколков при замерзании капель учитывается следующим образом:

= ^(т.тОШт^г.т'.^Ап'' (8)

& Л т

где п(т,т') - число ледяных осколков массы т, образующихся при замерзании капель массы т', Щх^т'^) - вероятность замерзания капель массой ш' в единицу времени, рассчитываемая по формуле (15).

Образование осколков в процессе аккреции ледяных кристаллов с облачными каплями описывается формулой:

(дел

и

= /п(т,т')К2(г,т'д)<1т" (9)

/ АК

где К2(г,т'д)=51(г,т')0/р2(ш',^2(г^д^ " ЧИСло столкновений

о

кристаллов массой £ с каплями массой т', приводящих к замерзанию последних и образованию осколков.

Число ледяных осколков п(т,ш') определяется по табличным значениям, аппроксимирующим экспериментальные данные по выбросам микрочастиц в зависимости от размера замерзающей капли. Для капель с г<75 мкм используются данные Лезема и Мейсона. Для капель больших размеров применяются данные, полученные А.Х. Аджиевым в ВГИ.

Микроскопические осколки замерзания выносятся потоками в верхнюю часть облака, где образуется преимущественно положительный объемный заряд р+( Г Д). Область сосредоточения отрицательно заряженных ледяных частиц образует зону преимущественно отрицательного объемного заряда р.( Г Д).

Рассчитанные значения объемных зарядов рэ используются для определения потенциала Щ Г ) создаваемого ими электрического поля. Для этого на каждом временном шаге решается уравнение Пуассона:

д1и дЧ/_ (1°)

дх2'+ ду2 + "&2 е0

при следующих граничных условиях

и = о! (И)

^ = 0 ах

ду

^ = 0

у=К

где в0 - диэлектрическая постоянная вакуума.

Значения напряженности электрического поля учитываются при определении коэффициентов коагуляции облачных частиц согласно теоретическим и экспериментальным зависимостям Л.М.Левина и Н.В.Красногорской с помощью построенных аппроксимационных формул.

Решение системы уравнений в частных производных (1)-(11) выполняется численными методами. При этом применяется аппроксимация задачи на основе разностных схем.

В третьей главе представлены некоторые результаты численного моделирования микроструктурных и электрических параметров конвективных облаков.

В качестве входных параметров использовались данные аэрологического зондирования. Пространственная область представляла собой прямоугольный параллелепипед 40x40x16 км. Шаг по координатам X и У составлял 500 м, по координате Ъ - 250 м. Шаг по времени составлял 3 с. Облако инициировалось заданием теплового импульса в начальный момент времени у поверхности земли с перегревом ДТ=1,0-4,0 °С.

Для анализа результатов расчетов использовалось программное обеспечение трехмерной визуализации данных моделирования, адаптированное для изучения строения облаков.

Разработанная в ВГИ численная модель конвективного облака с детальной микрофизикой позволяет исследовать формирование микроструктурных характеристик облаков, образование частиц осадков, как жидких, так и твердых, накопление электрических зарядов и электрическую коагуляцию облачных частиц. Для описания микрофизических процессов используются детальные уравнения для функций распределения частиц по массе. Полученные с помощью такой модели результаты отражают нелинейные эффекты физики облаков, которые невозможно исследовать и оценить при использовании более простых моделей.

В главе 3 приведены результаты исследований гидродинамических, термодинамических, микроструктурных и электрических параметров конвективных облаков при неустойчивом состоянии атмосферы. При выполнении численных экспериментов были использованы данные аэрологического зондирования в аэропорту Минеральные Воды. Для моделирования мощной быстроразвивающейся конвекции, из архива зондов выбирались дни, когда по факту в радиусе репрезентативности зонда наблюдались ливни, грозы, град. Для сопоставления с натурными материалами в распоряжении автора имелся обширный архив данных радиолокационных наблюдений с метеорологических радиолокаторов ДМРЛ-С и МРЛ-5, расположенных в г. Ставрополь, аэропорту Минеральные Воды, вблизи г. Нарткала Кабардино-Балкарской республики.

При расчёте электрических параметров облака считалось, что формирование и накопление электрических зарядов в нём происходит в результате замерзания капель и аккреции, т. е. взаимодействия капель и кристаллов. Вследствие разных скоростей падения в воздухе микроосколков (заряжающихся преимущественно положительно) и более крупных частиц, крупы и града (заряжающихся преимущественно отрицательно) происходит пространственное разделение зарядов: в предвершинной части облака преобладает положительный объёмный заряд, ниже — отрицательный. Плотность положительного заряда на 20-й минуте достигала 2,8 10"9 Кл/м3, отрицательного — 1,5-10"9 Кл/м3. По результатам моделирования исследовано пространственное распределение суммарного объёмного заряда в облаке в различные моменты времени.

На 20-й минуте развития облака электрический потенциал составлял величину порядка 1,4-109 В. Компоненты Ех, Еу напряжённости поля составляли около 1300 В/см, а Ех « 2000 В/см. Рассчитанная в каждый момент времени в узлах пространственной сетки напряжённость электростатического поля учитывалась при вычислении значений коэффициентов коагуляции капель и кристаллов.

Примерно к 40-й минуте облако достигает стадии максимального развития, образовались жидкие и твёрдые осадки. На рис. 1 представлены вертикальные и горизонтальные потоки в зоне облака в момент времени г = 40 мин. Максимальная скорость восходящего потока Шш = 29 м/с отмечается на уровне ъ = 6000 м, скорость нисходящего потока равна -3,2 м/с. Столб восходящего потока имеет небольшой наклон по направлению горизонтального потока воздуха.

Интенсивность осадков в момент времени 40 мин представлена на рис. 1 на уровне х=1 км, на рисунке отображена область и интенсивность осадков в виде изолиний.

Рисунок 1 - Строение мощного конвективного облака в момент времени I = 40 мин. На рисунке приведены: потоки воздуха в вертикальной плоскости, пересекающей облако (векторное поле); изоповерхность мощного восходящего потока, отвечающая скорости \у = 15,6 м/с (трёхмерная поверхность в центре рисунка); изолинии вертикальной скорости выражены в м/с; изолинии интенсивности осадков у поверхности земли (в горизонтальной плоскости, на уровне 1 км) в мм/час. Ячейки горизонтальной и вертикальной сеток на рисунке имеют размер 2x2 км.

На рис. 2 приведены изоповерхность скорости восходящего потока XV = 15 м/с, изоповерхность лёдности 2 г/м3, область положительного заряда, который сосредоточен на осколках замерзания капель в момент времени I = 40 мин. Область положительного заряда находится в верхней части облака и имеет вид вытянутого по ветру относительно тонкого слоя — «наковальни». Максимальная плотность положительного объёмного заряда в «наковальне» составляет 2,4-10"9 Кл/м3.

Рисунок 2 - Изоповерхность плотности положительного объёмного заряда (3) в момент времени 1=40 мин, соответствующая значению плотности 1,6* 10~9 Кл/м3, область вытянута в форме «наковальни». Приведены также изоповерхность скорости восходящего потока XV = 15 м/с (1) и изоповерхность лёдности, соответствующая значению 2 г/м3 (2). В горизонтальной плоскости на уровне поверхности земли приведены изолинии вертикально интегрированной водности, кг/м2. Шаг вспомогательной сетки 2x2 км.

С течением времени заряд в облаке и, соответственно, электростатический потенциал увеличиваются. Максимальный электрический потенциал, полученный в расчётах, составлял более 2-109 В. Максимум находится в верхней фронтальной части облака в

районе «наковальни». Область максимума потенциала находится на 5-НО км впереди зоны осадков. Напряжённость электростатического поля на 40-й минуте составляет 2000 + 3000 В/см.

Осадки образуются в верхней части восходящего потока, затем происходит их дальнейший рост и выпадение в стороне (впереди и левее) от восходящего потока.

Были проведены численные эксперименты с учётом электрической коагуляции облачных частиц и без её учёта. Сравнение времени образования осадков в этих двух случаях показало, что за счёт электрической коагуляции время роста частиц осадков в мощном конвективном облаке существенно (приблизительно на 20-К30 %) сокращается.

Результаты расчётов на основе трёхмерной модели с детальным учётом гидродинамических, термодинамических, микрофизических и электрических процессов показывают, что эти процессы в конвективных облаках взаимно влияют друг на друга, т. е. взаимодействуют. Это нелинейное взаимодействие имеет весьма сложный характер и играет важную роль в формировании микроструктуры облаков. Динамические процессы значительно влияют на поля термодинамических параметров в облаке, которые, в свою очередь, определяют микрофизические процессы и рост частиц осадков. В численных экспериментах получено, что в облаке наблюдается положительная обратная связь между ростом массы ледяных частиц и объемным электрическим зарядом. Необходимость изучения взаимодействия процессов в конвективных облаках связана с их важной ролью в облако- и осадкообразовании.

Таким образом, автором проведены численные расчёты формирования мощных конвективных облаков при заданной стратификации атмосферы и фоновом ветре. Определены гидродинамические, термодинамические и микроструктурные параметры в зоне конвективного облака в различные моменты времени. Рассмотрено формирование положительного и отрицательного объёмных электрических зарядов, рассчитаны характеристики электростатического поля на разных стадиях развития. Учтены процессы электрической коагуляции.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов и программных средств для аппаратно-программного комплекса обнаружения опасных конвективных процессов и текущего прогноза их развития.

Для обнаружения и предупреждения об опасных быстроразвивающихся конвективных явлениях на территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) приема, анализа и архивирования радиолокационной, грозопеленгационной, спутниковой и наземной (автоматические метеостанции) метеорологической информации.

Метеорологическая информация на АРМ поступает по каналам связи от радиолокаторов МРЛ-5, новых доплеровских станций ДМРЛ-С, автоматических метеостанций и других источников. Распознавание грозоградовых облаков осуществляется радиолокационными методами с учетом данных грозопеленгации и с использованием новых данных, полученных при моделировании быстроразвивающихся конвективных процессов.

Автором разработано прикладное программное обеспечение, которое выполняет следующие функции:

- прием данных;

- отображение пространственной структуры полей облачности, осадков и гроз на фоне карты местности;

- отображение карт опасных явлений погоды (ливневые осадки, грозы) на фоне карты административных границ районов края;

- анализ эволюции облачных структур, направления и скорости перемещения облаков, облачных систем и опасных явлений погоды.

При этом, совмещение данных от разных источников метеорологической информации обеспечивает повышение информативности системы.

Примеры полученных в АРМ карт штормооповещения по ЮФО и СКФО представлены на рис. 3-4.

На рисунке 3 приведено распределение грозовых разрядов на территории Северного Кавказа за 10 минутный интервал времени в мае месяце. Слева на рис.3 показана цветовая палитра - разбиение по интервалам количества разрядов в грозовых облаках за время наблюдения.

Радарные и грозопеленгационные данные обеспечивают распознавание явлений погоды и их локализацию на фоне карты региона и имеют малый период измерения характеристик быстропротекающих процессов (град, гроза, ливни). Обновление информации в режиме шторма может осуществляться с интервалом 1 минута по грозопеленгатору и 3,5 минуты по МРЛ-5.

Г: К

К .....[ДНРП

14« }

Рисунок 3 - Режим отображения грозовых разрядов (внутриоблачных и облако-земля) за интервал времени 10 мин на территории ЮФО и СКФО, зафиксированных грозопеленгатором ЬББООО (ФГБУ "ВГИ"). Шкала градаций соответствует количеству разрядов на 1 км2.

Разработаны усовершенствованные алгоритмы распознавания опасных явлений погоды, основанные на комплексном анализе поступающей информации с использованием математического аппарата распознавания образов. Выделяются конвективные процессы, направление и скорость их перемещения. Пример распознавания опасных явлений погоды представлен на рис.4.

Измерение количества осадков радиолокационным методом осуществляется путем интегрирования осадков за любой желаемый отрезок времени, за весь период дождя, за сутки, 10 дней, месяц, квартал, полугодие (зимние осадки, летние осадки) и год. Отображение карт суммарного количества осадков в АРМ осуществляется в виде цветных карт, отображаемых на фоне карты местности.

Данные автоматических метеостанций станций обеспечивают сопоставление радиолокационной информации с фактической погодой в отдельных точках региона и служат калибровочными данными для радарных измерений вида, интенсивности, и количества осадков.

В главе 4 приведены также результаты анализа пространственно-временной динамики грозовых атмосферных явлений на Северном Кавказе по данным инструментальных наблюдений. Проведена оценка климатических и геофизических факторов, влияющих на их развитие.

:1| 20 ¡ЗСВ£5_05-» 721.1 20!ЭЭ52£_дМ722 1

}зю$зй5а$ !»5?гг_» ¡Цгчг.*»» ш>тгг_ 1 Ш 201365?*:. _!£»?£:•_!

II 20133525^02721, I

ЩЩШШПШв!

ШПОШК» 1037?! 1 гвкв8я..да7я _»

Оегири Шабм Оь&акп унере Сладки о?пьи Кучя»3 сбя.

утере

1(х»в (Я) Гоом К) Грсол к

ГрШСМ&Й

ЧйСГ-гП СкАьЯ!

Шгюл -'¡Гъг*Ы С&КГ-.

•Г^ХМДН»!;

Рисунок 4 - Карта опасных конвективных процессов в АРМ анализа радиолокационной информации.

Эффективность предупредительных мер в значительной степени зависит от качества и заблаговременное™ идентификации опасных явлений погоды, которая основывается на сумме знаний о природных опасностях, причинах их возникновения, особенностях проявления и воздействия. Таким образом, для предотвращения природных чрезвычайных ситуаций общество и государство остро нуждаются в полноценной и разносторонней информации о масштабах распространения и степени опасности природных процессов, действующих (или способных действовать) в пределах определенной территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы

1. На основе трехмерной модели конвективного облака с детальным описанием термодинамических, микрофизических и электрических процессов исследованы особенности эволюции быстроразвивающихся конвективных процессов на Северном Кавказе. Определены микроструктурные и электрические параметры в зоне конвективного облака на стадии роста и максимального развития. По

результатам моделирования на стадии максимального развития конвективного облака за счет электрической коагуляции происходит наиболее интенсивный рост жидких и твердых осадков, характеристики облака резко возрастают, облако переходит в категорию опасных явлений погоды.

2. Исследовано формирование положительного и отрицательного объемных электрических зарядов, рассчитаны характеристики электростатического поля в последовательные моменты времени. Проанализировано взаимодействие микроструктурных и электрических параметров в мощных конвективных облаках. В облаке наблюдается положительная обратная связь между ростом массы ледяных частиц и объемным электрическим зарядом.

3. Разработано программное обеспечение приема и комплексного анализа радиолокационной и грозопеленгационной информации. Объединение данных с различных физических каналов позволяет более эффективно идентифицировать опасные явления погоды для целей штормооповещения.

4. Проведено исследование пространственного распределения грозовых процессов в Северо-Кавказском регионе, получено, что орография значительно влияет на частоту их возникновения. Получены данные по параметрам гроз в различных республиках и краях Северного Кавказа.

5. Наиболее часто чрезвычайные ситуации в регионе возникали вследствие сильных ветров (ураганов, смерчей, шквалов). Ими обусловлено 17% общего числа природных чрезвычайных ситуаций. Далее по встречаемости следуют такие причины природных ЧС как пожары (16%), сильные дожди (12%), паводки (10%). Большинство приведенных природных процессов и явлений обусловлены температурно-ветровым режимом атмосферы, а также количеством и интенсивностью осадков. Эти факторы также определяют развитие грозоградовых явлений, наносящих значительный материальный ущерб хозяйственной деятельности человека.

Дальнейшие исследования на основе математического моделирования будут направлены на более глубокое изучение формирования макро- и микроструктурных характеристик облаков с учетом взаимодействия процессов в облаках и облаков с окружающей атмосферой, а также на разработку мезомасштабной модели атмосферных процессов для текущего прогноза эволюции опасных явлений погоды.

Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Шаповалов, МА. Обнаружение и распознавание опасных конвективных процессов радиотехническими средствами/ Аджиева A.A., Шаповалов ВА., Машуков И.Х., Скорбеж H.H., Шаповалов М.А.// Известия Вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - №1 (179), 2014,- С. 59-62

2. Шаповалов, М.А. Математическое моделирование ослабления лазерного излучения ИК диапазона в облачной среде/ Ашабоков Б.А., Шаповалов A.B., Шаповалов М.А., Езаова А.Г., Продан К.А. // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. - 2013. - №1 -С. 97-100.

3. Шаповалов, М.А. Численные эксперименты по исследованию формирования микроструюурных характеристик грозоградовых облаков/ Ашабоков Б.А, Федченко JI.M., Шаповалов А.В, Езаова А. Г., Шаповалов М.А. // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - №3, 2014.-С.40-44.

4. Шаповалов, М.А. Исследование образования ледяной фазы в мощных конвективных облаках на основе трехмерной численной модели/ Ашабоков Б.А., Шаповалов В.А., Езаова А.Г., Шаповалов М.А.// Естественные и технические науки.- № 5(73), 2014,- С.78-83

Публикации в других изданиях:

5. Опасные природные процессы Северного Кавказа. Под ред. проф. В.В.Разумова / Разумов В.В., Аджиев А.Х., Разумова Н.В., Глушко А.Я., Шагин С.И., Кондратьева Н.В., Притворов А.П., Колычев A.M., Шаповалов М.А./.- М: Из-во "Феория", 2013,- 320 с.

6. Шаповалов, М.А. Некоторые результаты численного моделирования микроструктурных и электрических характеристик конвективных облаков/ Шаповалов В.А., Машуков И.Х., Продан К.А., Скорбеж H.H., Шаповалов М.А.// Материалы Международного симпозиума «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», Том 2, г. Нальчик, 2013. - С. 216-219.

7. Шаповалов, М.А. АРМ обнаружения и предупреждения об опасных быстроразвивающихся конвективных явлениях на территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов Шаповалов В.А., Машуков И.Х., Продан К.А., Колычев А.Г., Шаповалов М.А.// Материалы Международного симпозиума «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», Том 2, г. Нальчик, 2013. - С. 213-216.

8. Аджиева A.A., Разумов В.В., Шаповалов М.А. Некоторые результаты анализа опасных природных процессов в Северо-

Кавказском регионе// Материалы Международной научной конференции с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», г. Ставрополь, 2326 сентября 2013.- С. 186-189.

9. Шаповалов В.А., Шаповалов М.А. Распознавание опасных конвективных процессов с применением алгоритмов нейронных сетей (Neural Network) и компьютерного зрения (Computer Vision). // Материалы Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР, Нальчик, 2014.

10. Шаповалов A.B., Созаева Л.Т., Шаповалов М.А. Расчет поляризационных характеристик частиц осадков с использованием данных о спектрах капель, полученных по трехмерной модели конвективного облака// Материалы Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР, Нальчик, 2014.

Сдано в набор 16.04.15. Подписано в печать 15.04.15. Гарнитура Тайме. Печать трафаретная. Формат 60x84'/) Бумага писчая. Усл. п. л. 2,7. Тираж 100. Заказ № 786.