Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование возможности увеличения осадков в Сирии с помощью искусственного воздействия на облака

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование возможности увеличения осадков в Сирии с помощью искусственного воздействия на облака"

::гз о л

2 2 ЯЮП и;;

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей Среды Центральная аэрологическая обсерватория

На правах рукописи

Али Аббас

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ В СИРИИ С ПОМОЩЬЮ ИСКУССТВЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЛАКА

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г.Долгопрудный -1998 г.

Работа выполнена в Центральной аэрологической обсерватории

Научные руководители: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Ю.В. Мельничук

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Б.П. Колосков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор С.М.Шметер

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Э.М.Кудлаев

Ведущая организация: Институт экспериментальной метеорологии

г.Обнинск

Защита диссертации состоится 24 июня 1998 г. в / 7 часов на заседании Диссертационного совета в Центральной аэрологической обсерватории по адресу. 141700, Московская область, г.Долгопрудный, ул.Первомайская, д.З. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Центральной аэрологической обсерватории.

Автореферат разослан ^ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук старший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы В последние годы во многих районах Земли и, в частности, в странах Средиземноморского региона и в большинстве арабских стран, включая Сирию, все острее становится проблема обеспечения пресной водой. Это связано с одной стороны с интенсивным развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, с ростом городов и численности населения. Так, например, в Сирии численность населения возросла с 6,257 млн. человек в 1970 г. до 12,116 млн. человек в 1990 г., т.е. практически возросла в два раза. Кроме того, в 1946-1990 гг. наблюдалось значительное уменьшение количества атмосферных осадков, что в основном объясняется наличием антициклональной ситуации в центральной и восточной частях Средиземноморского бассейна. Одновременно с уменьшением осадков наблюдалось увеличение температуры воздуха, а значит рост испаряемости и, как следствие, еще большее снижение водоза-пасов.

В связи с неблагоприятными погодными условиями в период с 50-х по 90-е годы Правительство Сирии было вынуждено принять ряд мер для решения остро вставшей проблемы водных ресурсов. Одним из путей решения проблемы заключалось строительство новых водохранилищ. Однако, наблюдаемый климатический тренд уменьшения осадков значительно снижает эффективность этих систем и поэтому они не могут удовлетворить потребности в воде из-за недостаточного пополнения водозапасов за счет атмосферных осадков.

Исследования, выполненные в различных регионах мира, свидетельствуют о том, что активные воздействия на облака позволяют увеличить количество осадков. При этом эффективность воздействий зависит от применяемой технологии, размеров и характеристик территории, типа облаков и т.д.

Цель работы Целями данной работы являлись:

- усовершенствование самолетной и наземной информационно-измерительных систем, необходимых для выполнения работ по искусственному увеличению осадков на территории Сирии;

- выполнение оперативных работ по воздействию на облака с использованием российской технологии искусственного увеличения осадков;

- разработка метода статистической оценки результатов оперативных воздействий применительно к условиям Сирии;

- статистическая оценка результатов регулярных воздействий на облака в Сирии в зимние сезоны 1991-1996 гг.

Научная новизна

1. На основе данных многолетних рядов осадков исследован климатологический тренд уменьшения количества осадков на территории Сирии за период с 1959 по 1981 гг. и выявлены характеристики неоднородности выпадения осадков на территории Сирии от года к году.

2. Доказано наличие тесной корреляции зимних четырехмесячных слоев осадков для станций, расположенных в одной и той же сельскохозяйственных зонах.

3. Впервые получены регрессионные связи между урожайностью основных сельскохозяйственных культур Сирии и количеством зимних осадков.

4. Разработан метод статистической оценки результатов оперативных воздействий на облака с целью увеличения осадков на территории Сирии.

5. Получены статистические оценки месячного и сезонного эффекта увеличения осадков как для шести зон, на которые была разбита территория Сирии, так и для площади Сирии в целом.

6. Получены оценки необходимой, с точки зрения статистической значимости результатов, продолжительности работ по увеличению осадков на большой площади.

Научная и практическая значимость работы

В ходе выполнения работы создана современная информационно-измерительная система, включающая в себя: четыре самолета-метеолаборатории, автоматизированную радиолокационную сеть из четырех комплексов АКСОПРИ, аппаратуру приема спутниковой информации, центр обработки и анализа самолетных, радиолокационных и осадкомерных данных, оперативный центр управления работами по увеличению осадков. Созданная система может быть использована не только в работах по увеличению осадков, но и для проведения исследований облачности и осадков, измерения осадков на территории Сирии, прогноза опасных явлений погоды, для метеорологического обслуживания авиации.

Полученные в проекте экспериментальные данные могут быть использованы для дальнейшего совершенствования и уточнения методов воздействий на

облака, для проверки теорий облако- и осадкообразования, для тестирования и разработки численных моделей.

Разработанный метод статистической оценки результатов оперативных воздействий на облачность на больших площадях может бьггь использован для оценки эффективности воздействий и в исследовательских, и в коммерческих проектах.

Результаты диссертационной работы внедрены в Проекте по искусственному увеличению осадков в Сирийской Арабской Республике, а также а оперативных проектах по искусственному увеличению осадков на территории Республики Саха (Якутия) в 1995-1997 г.г.

На защиту выносятся:

1. Информационно-измерительная система, состоящая из четырех сирийских самолетов-метеолабораторий (два АН-26 и два ЯК-40), радиолокационной сети из четырех автоматизированных комплексов АКСОПРИ, аппаратуры приема и отображения спутниковой информации и центра обработки и анализа самолетных, радиолокационных и осадкомерных данных.

2. Метод статистической оценки результатов оперативных воздействий на облака на больших территориях.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на Первом Арабском Агрометеорологическом Семинаре (Сирия, 1982 г.), на 6-й Международной конференции по активным воздействиям на погоду (Италия, 1994 г.), на Международном семинаре по проблеме увеличения осадков в странах Средиземноморского региона (Италия, 1996 г.), на конференциях и научных симпозиумах в Сирии и на семинарах ученого совета ЦАО.

Публикации По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 139 листах, включая 20 рисунков и 20 таблиц. Список литературы содержит 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулирована цель, указывается научная новизна, научная и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обсуждается проблема водных ресурсов в Сирии и возможности ее решения с помощью искусственного увеличения количества осадков.

В разделе 1.1 рассматривается состояние водных ресурсов Сирии. На её территории можно вьделить семь основных бассейнов, определяющих водные ресурсы страны. Это бассейны Евфрата, Тигра и Хабура, Аль-Сахель, Оронта, Аль-Бадия, Барады и Ауадж, Ярмук.

Общие годовые ресурсы пресной воды на территории Сирии составляют 42,2 млрд. м3 Из них водные ресурсы в водохранилищах составляют 18,1 млрд. м3. Эти цифры характеризуют водные ресурсы Сирии, формируемые как в пределах территории страны, так и за счет транзитного речного стока, формируемого на территориях приграничных стран. Основной вклад в ресурсы пресной воды на территории страны (около 80% по речному стоку и около 90% по ресурсам воды в водохранилищах) вносит протекающий транзитом через Сирию, Евфрат. Это означает, что ресурсы пресной воды, формируемые непосредственно на территории Сирии, составляют около 10 млрд. м3. Из них водные ресурсы в водохранилищах составляют около 2 млрд. м3.

Раздел 1.2 содержит результаты исследований пространственного и временного распределений осадков на территории Сирии. Анализ данных о годовом и сезонном ходе осадков и их пространственном распределении необходим для грамотного и обоснованного оптимального выбора периода и площади для проведения воздействий с целью увеличения осадков, а также для выбора технологии воздействий, схемы их проведения, и наконец для определения методики статистической оценки количества дополнительных осадков, получаемых в результате активных воздействий на облака.

Для исследования пространственно-временного распределения осадков использовались данные 47 станций метеорологической сети Сирии, имеющих непрерывные ряды наблюдений, начиная с 1959 г. (рис.1).

Исследования показали, что годовое количество осадков на территории Сирии характеризуется большой пространственной изменчивостью. Наибольшие

годовые суммы осадков (свыше 1300 мм/год) выпадают на западном горном хребте. Количество осадков существенно уменьшается с продвижением на восток и юго-восток страны, где находится Сирийская полупустыня, и годовые суммы осадков на крайнем юго-востоке не превышают величины 100 мм/год.

37 36

35

34 33 32

Рис.1. Расположение 47 опорных метеостанций, 4-х радиолокационных комплексов АКСОПРИ и шести зон на территории Сирии.

Анализ данных об осадках за период с 1959 по 1991 гг. позволил выявить ряд важных с точки зрения проведения работ по активным воздействиям особенностей пространственного и временного распределения осадков на территории Сирии. Анализ осадкомерных данных показал, что на всей территории Сирии хорошо выражен годовой ход осадков. Сезон осадков длится 8 месяцев (с октября по май), причем 65-80% от их годовой суммы выпадает с декабря по март. Макси-

мум осадков повсеместно приходится на декабрь - январь, а минимум - июнь-сентябрь.

На юге и западе Сирии сезон осадков начинается и заканчивается на месяц раньше, чем на востоке и северо-востоке. Такой временной сдвиг связан с тем, что с сентября по январь высотная фронтальная зона в районе Сирии проходит преимущественно с юго-запада на северо-восток, а в весенние месяцы эта зона проходит широтно по северной части Сирии.

Анализ годовых и месячных сумм осадков позволяет сделать заключение, что по режиму естественных осадков территория Сирии вполне пригодна для проведения работ по увеличению осадков. Наиболее благоприятным периодом для их проведения являются четыре месяца с декабря по март.

Расчеты, выполненные с использованием данных о четырехмесячных слоях осадков, показали, что в целом наблюдается высокая корреляция слоев осадков для станций, находящихся в одной и той же географической зоне. Так значения коэффициентов корреляции для станций, расположенных в одной зоне и удаленных друг от друга на расстояние менее 50 км, лежат в пределах 0,80 - 0,96 , удаленных на расстояние от 50 до 100 км - в пределах 0,74 - 0,86 , от 100 до 200 км -в пределах 0,60 - 0,83 и на расстояниях от 200 до 350 км - не менее 0,59.

Наряду с анализом характеристик осадков по зонам была исследована межгодовая изменчивость осадков на всей территории Сирии. На рис.2 приведены значения четырехмесячных объемов осадков за период с 1959 по 1991 гг. Средний объем осадков за этот период составил 33,7 км3 при среднем квадрати-ческом отклонении 10,0 км3. Из рис.2 видно, что в отдельные годы суммы осадков существенно отличались от средне многолетнего их значения.

По многолетним рядам данных об осадках были проведены исследования временного тренда и периодичности изменения их количества. Обнаружено наличие 6-летней периодичности межгодовой изменчивости четырехмесячных объемов осадков и наличие временного тренда. На рис.3 приведены исходные и ос-редненные по двум годам (с целью сглаживания короткопериодных колебаний) объемы четырехмесячных сумм осадков. Из рисунка видно, что в период с 1960 по 1991 гг. на территории Сирии наблюдалась тенденция уменьшения количества осадков. Так объем осадков уменьшился с 36,5 км3 в сезоне 1959-1960 гг. до 31,4 км3 в сезоне 1990-1991 гг. За 32 года наблюдений осадки уменьшились в среднем

70 60

1 50 из £

ш 40

СЕЗОН

Рис.2. Объем осадков на территории Сирии за 4 месяца (декабрь-март) с 1959 по 1991 гг.

сезон

Рис.3. Исходные и осредненные по двум годам объемы четырехмесячных слоев осадков и их временной тренд.

на 5,1 км3 или на 14%. На рис.3 отчетливо выделяется шестилетний период изменений количества осадков относительно линии его климатологического тренда.

В разделе 1.3 приводятся оценки экономической целесообразности увеличения количества осадков в интересах сельского хозяйства Сирии.

Для оценки экономической целесообразности искусственного увеличения осадков в период с декабря по март, были выполнены исследования связи количества выпадающих в этот период осадков с урожайностью. Для исследований рассмотрены данные для трех основных сельскохозяйственных культур: пшеницы, высокопродуктивной пшеницы и ячменя, занимающих около 95 процентов от общей площади земель, используемых в Сирии для неорошаемого выращивания сельхозпродукции. Для пшеницы и ячменя использовались данные за 20-летний период с 1971 по 1990 гг., а для высокопродуктивной пшеницы - за 17-летний период с 1974 по 1990 гг. Регрессионный анализ продемонстрировал наличие тесной связи урожайности с объемом выпадающих за четыре месяца осадков (рис.4). Для обычной и высокопродуктивной пшеницы связь описывается линейными уравнениями, а для ячменя - степенным уравнением. Коэффициенты корреляции между урожайностью и объемом осадков: КПш = 0,76; (Чвпш = 0,86; И ЯЧм = 0,92.

Для оценки экономической эффективности искусственного увеличения осадков была использована полученная с помощью регрессионного анализа связь урожайности пшеницы с количеством осадков. В предположении сохранения тенденции уменьшения четырехмесячного количества осадков, в 1995-2000 гг. оно должно составить около 30 км3. Если рост осадков благодаря активным воздействиям на облака составит 10-15 процентов, то объем дополнительно полученной воды ДУ будет около 3 - 4,5 км3. При занятой в 1990 г. под пшеницу площади Б = 1 млн. га, увеличение сбора урожая будет равно АУ = 27,1 * Д\/ * Б = 81-122 тыс. тонн. При стоимости 1кг пшеницы 0,1 доллара США экономическая эффективность увеличения осадков, выпадающих в период с декабря по март, т.е. в наиболее благоприятные с точки зрения увеличения осадков месяцы, составит около 8-12 млн. долл. США.

В разделе 1.4 описаны физические принципы, технические средства и способы активного воздействия на осадкообразующие облачные системы, а также приведены основные результаты экспериментальных исследований по проблеме

искусственного вызывания осадков из переохлажденных облаков вертикального развития и облаков слоистообразных форм.

ПШЕНИЦА (14=0.76)

0

• • •___

• • • % •

Г •

1

10 2 0 3 объем 0 4 осадков (к 0 5 уб. км) 0 6

ВЫСОКО-ПРОДУКТИВНАЯ ПШЕНИЦА (Я=0.86)

2000 го 1500 ^ 1000 500 0 1 • 5—' 0

• т.

• < • • •

л

0 2 0 объем 0 4 осадков (к 0 5 уб. км) 0 6

2000 ЯЧМЕНЬ (Я=0.92)

0

Е 1200 •

• •

•

•

1 0 2 0 3 объем 0 40 5 осадков (куб. км) 0 6

Рис.4. Зависимости урожайности пшеницы, высоко-продуктивной пшеницы и ячменя от количества осадков.

В основе подхода к проблеме искусственного регулирования осадков путем активного воздействия на облака лежит предположение о неустойчивости фазового состояния воды при развитии процессов осадкообразования. В подавляющем большинстве случаев выпадение осадков связано с существованием в облаках значительных объемов переохлажденных водяных капель, которые могут существовать длительное время не замерзая.

В соответствии с теорией формирования атмосферных осадков, разработанной Бержероном, Вегенером и Финдейзеном, важным условием образования частиц осадков является наличие в облаках ледяных частиц, на которых и происходит рост частиц осадков. В естественных условиях в качестве зародышей частиц осадков выступают присутствующие в атмосфере аэрозольные частицы (ядра кристаллизации или ледяные ядра), а также ледяные кристаллы, попадающие в переохлажденную часть облака из облаков верхнего яруса или из верхней части облака. При недостатке естественных зародышей частиц осадков часть облачной влаги не реализуется в осадки и испаряется на боковых и верхней границах облака. Искусственное введение в облако дополнительных ядер кристаллизации позволяет повысить эффективность процесса осадкообразования в облаке.

При воздействиях на переохлажденные облака с целью искусственного увеличения осадков в основном используются хладореагенты (твердая углекислота СОг, жидкий азот) и кристаллизующие реагенты (йодистое серебро Agi).

По принципу доставки реагентов в облака большинство используемых на практике способов воздействия разделяются на воздействия с земли и с самолетов. В первом из этих способов используются наземные генераторы, а также снаряды и ракеты. Воздействие с самолета производится путем сбрасывания в облако твердой углекислоты, путем отстрела пиротехнических средств, содержащих льдообразующий реагент, или путем сжигания в специальных горелках жидкого раствора или порошкообразного реагента. Наибольшее применение получили самолетные способы воздействия, при которых засев реагентом производится путем сброса твердой углекислоты или отстрела пиропатронов с Agi в вершины конвективных облаков и непрерывный засев С02 слоистообразной облачности.

В последние годы были выполнены многочисленные исследовательские и оперативные проекты по активным воздействиям на различные типы осадкообра-

зующих облачных систем. В работах по искусственному воздействию в бывшем СССР (на Украине, в Поволжье, Закавказье, Средней Азии), США (во Флориде, Техасе, Северной Дакоте, Иллинойсе), Канаде, Австралии, Израиле, Кубе и других странах получены выводы о возможности увеличении количества осадков путем засева конвективных облаков в 1,5-2 раза. Исследовательские и коммерческие проекты по искусственному регулированию осадков из переохлажденных облаков слоистообразных форм зимнего и переходных периодов, выполненные в равнинных районах Украины, в Поволжье и Молдавии, в горных районах Средней Азии, а также в США, Израиле, Японии, Канаде, Китае и в других странах, подтвердили принципиальную возможность увеличения атмосферных осадков от 10 до 40 60%.

Представленные в первой главе материалы и результаты исследований убедительно свидетельствуют об экономической целесообразности использования искусственного увеличения осадков в качестве одного из способов решения проблемы дефицита водных ресурсов в Сирии.

Во второй главе рассматриваются основные задачи Проекта по увеличению осадков на территории Сирии, описываются основные технические средства, используемые в нём, и организация оперативных работ по воздействию в период 1990-1996 гг.

В разделе 2.1 описываются основные задачи и приводятся общие характеристики проекта по увеличению осадков на территории Сирии. Согласно контракту между Министерством сельского хозяйства и аграрных реформ САР и Центральной аэрологической обсерваторией, в Сирии в 1991-1996 гг. были организованы и успешно проведены оперативные работы по искусственному увеличению осадков на всей территории Сирии. Основными задачами проекта являлись:

- создание современной информационно-измерительной системы, включающей самолеты-метеолаборатории, средства дистанционного зондирования атмосферы (автоматизированная радиолокационная сеть), систему приема спутниковой информации, средства связи, средства обработки и отображения информации, оперативный центр управления работами;

- выполнение оперативных работ по воздействию на облака с использованием разработанной российскими специалистами технологии искусственного увеличения осадков;

- разработка метода статистической оценки результатов оперативных воздействий;

- получение статистических оценок результатов регулярных воздействий на облака;

- обучение сирийских специалистов и подготовка их для самостоятельного продолжения работ после окончания контракта.

Для выполнения работ по увеличению зимних (с декабря по март) осадков на всей территории Сирии (площадь 185 ООО кв. км) единовременно использовалось несколько самолетов-метеолабораторий. В первые два сезона использовались российские СМЛ (ИЛ-18, АН-26, АН-12 и ЯК-40). В 1992-1993 гг. было оборудовано четыре сирийских СМЛ (два АН-26 и-два ЯК-40). Начиная с зимы 19931994 гг., в работах использовались только сирийские самолеты.

Для управления самолетными работами в 1991 г. были установлены два метеорологических радиолокатора МРЛ-5, оборудованных автоматизированными комплексами АКСОПРИ. В 1992 г. после монтажа еще двух радиолокаторов МРЛ-5 была создана автоматизированная радиолокационная система из 4-х радиолокационных комплексов АКСОПРИ, практически полностью перекрывающих территорию Сирии (рис.1). Информация, получаемая с помощью средств дистанционного зондирования, использовалась для совершенствования методики воздействия на облака.

В Дамаске был создан центр управления проектом, в котором были установлены аппаратура приема и отображения радиолокационной, спутниковой и синоптической информации, был создан центр по обработке самолетной, радиолокационной и наземной осадкомерной информации, аппаратура связи с радиолокационными комплексами и с СМЛ.

В разделе 2.2 описаны самолетные технические средства, использовавшиеся в работах по увеличению осадков. В работах принимали участие самолеты ИЛ-18, АН-26, ЯК-40 и АН-12. Самолеты были оборудованы измерительно-вычислительными комплексами (ИВК) и средствами для засева облаков. ИВК обеспечивал измерение, обработку, отображение на экране бортового дисплея и последующее архивирование данных о метеорологических параметрах - температуре воздуха, ветре, влажности, водности облаков, интенсивности обледенения и др. и пилотажно-навигационных параметрах - абсолютных координатах месгона-

хождения самолета, высоте полета, курсе, путевой и истинной воздушной скорости и др. В полете данные, необходимые для проведения воздействий, отображались на экране монитора одновременно с картой полета и нанесенными на нее траекторией полета и зонами засева облаков.

В качестве реагента для засева облаков использовалось йодистое серебро. Оно вводилось в облако путем отстрела пиропатронов ПВ-26 или ЛВ-50 в момент пролета самолета над или по верхней границе облачности. Каждый пиропатрон ПВ-26 содержит 40 грамм пиротехнического состава с Agi, льдообразующая эффективность которого доходит до 5*1012 ледяных ядер на грамм состава (при температуре -10°С). Пиропатроны ПВ-50 содержат 320 грамм такого же состава. Длина трассы активного дымления составляет около 1 км для ПВ-26 и более 3,5 км для ПВ-50.

Раздел 2.3 содержит описание созданной для проведения проекта автоматизированной радиолокационной сети. Она состояла из 4-х комплексов АКСОПРИ, разработанных в ЦАО на базе двухволнового (3-см и 10-см) метеорологического радиолокатора MPJ1-5. Комплексы обеспечивают получение каждые 10 минут информации о радиолокационной отражаемости облаков и осадков в зоне с радиусом 300 км с пространственным разрешением 4x4 км2. С помощью специально разработанного программного обеспечения по радиолокационной информации определялись такие характеристики, как интенсивность и слой осадков за любой временной промежуток, высота верхней и нижней границ облачности, скорость и направление перемещения облачности.

Информация с радиолокационных комплексов передавалась каждые 20 минут по телефонным линиям связи в оперативный центр управления работами, где после обработки отображалась на экране дисплея в виде объединенной циф-рокарты интенсивностей и слоев осадков и высоты верхней границы облачности.

В разделе 2.4 приведены описание и основные характеристики наземной осадкомерной сети, использовавшейся в работе. Использовались данные 47 станций метеорологической сети Сирии (рис.1), имеющих непрерывные ряды наблюдений, начиная с 1959 г. Для проведения оценок эффекта воздействий, территория Сирии была разбита на 6 зон, в каждой из которых средние месячные количества осадков были распределены более или менее однородно. Проведенные исследования показали наличие тесной корреляции между количеством

осадков на станциях, находящихся в одной и той же зоне. Это позволило использовать регрессионные связи для оценки эффекта воздействий.

В разделе 2.5 описываются синоптические условия в период проведения экспериментальных работ. Наиболее характерными синоптическими условиями в период проведения экспериментальных работ по увеличению осадков в Сирии было наличие циклонических систем, связанных с высотными барическими ложбинами (70% случаев), при адвекции воздушных масс с запада, юго-запада или юга. При этом основной вклад в осадки давали мощные облачные системы наиболее глубоких циклонов, представленные слоисто-дождевыми и затопленными в них кучево-дождевыми формами облаков с постепенным увеличением вклада СЬ с декабря -января до второй половины февраля-марта. При юго-западном и южном переносах воздушных масс поля осадков в таких циклонах накрывали до 90100% территории страны. Максимальные значения суточного слоя осадков до 70120 мм и более наблюдались в горных районах Сирии вдоль побережья Средиземного моря. В восточных районах суточные слои не превышали 25 мм, а в условиях малоградиентных барических полей составляли не более 5-10 мм.

В третьей главе рассматриваются методы оценки результатов работ по увеличению осадков и приведены их результаты для 1991 -1996 гг.

В разделе 3.1 обсуждаются наиболее широко используемые в работах по увеличению осадков методы статистической оценки результатов. Высокая пространственно-временная изменчивость процессов, влияющих на осадкообразования сильно усложняет выделение изменений распределения осадков, обусловленных воздействиями, на фоне их естественных вариаций, особенно с учетом того, что направленные изменения осадков зачастую оказываются меньше амплитуд естественных вариаций.

В ранних исследованиях оценку эффективности воздействий осуществляли с помощью сравнения выпавших в период воздействий осадков с их климатической нормой для этого же периода. В дальнейшем развитие методов оценки эффективности оперативных работ по увеличению осадков пошло по пути использования для оценки количества естественных осадков так называемых контрольных территорий, т.е. территорий, на которых предполагается отсутствие какого-либо влияния проводимых работ на осадки. При этом для оценки естественных осад-

ков на мишени (территории проведения воздействий) использовались: метод отношений или метод исторической регрессии.

В первом случае прогноз количества естественных осадков на площади мишени У т за некоторый период осуществляется путем умножения данных о фактических осадках на контрольной площади Ус на значение определенного по архивным данным отношения У,/ У с, где Гти У с, соответственно, средние многолетние нормы осадков за аналогичные периоды времени на мишени и на контрольной площади до начала проведения работ по воздействиям: Гт = (У,/ Ус) Ус (1)

В методе исторической регрессии прогноз осадков на мишени осуществляется с помощью линейного уравнения вида:

У = а У с + Ь , (2)

коэффициенты которого а и Ь определяются по архивным данным о количестве осадков за период, предшествовавший воздействиям, с использованием метода наименьших квадратов.

Основным недостатком этих методов является возможная неустойчивость уравнений связи под влиянием микроклиматических изменений. Синоптико-метеорологические условия периода проведения работ по засеву облаков в принципе могут отличаться от предшествовавшего ему периода, в частности, из-за изменения повторяемости различных типов синоптических ситуаций, которым соответствуют различные коэффициенты регрессионной связи между осадками на мишени и контрольной площади. Этот недостаток устраняется при проведении рандомизированных экспериментов, в которых решение о проведении или непроведении воздействия на экспериментальную единицу принимается каждый раз случайным образом. В результате формируются два ряда данных о количестве осадков на территории мишени - для случаев с воздействиями и без них. При этом ряды заведомо относятся к одинаковым микроклиматическим условиям. Поэтому среднее количество осадков для ряда экспериментальных единиц без засева может служить оценкой среднего количества естественных осадков за все рассматриваемые экспериментальные единицы (как с засевом, так и без засева), а отсюда можно получить и оценку эффективности воздействий. Рандомизированные эксперименты дают надежные данные об увеличении осадков, однако

рандомизацию нельзя использовать при проведении оперативных проектов, поскольку существенная часть пригодных для воздействия ситуаций должна использоваться только для контроля, что приводит к недополучению потребителем дополнительных осадков.

Приведенный в разделе обзор способов оценки эффективности воздействий позволяет сделать вывод о том, что метод исторической регрессии при соблюдении надлежащих предосторожностей и определенной его модификации может быть использован для оценки результатов оперативных работ по увеличению осадков.

В разделе 3.2 описывается методика статистической оценки результатов оперативных воздействий на большой площади.

Условия работ по увеличению осадков в Сирии таковы, что применить для их оценки метод исторической регрессии напрямую не удается. Прежде всего это обусловлено тем, что по требованию заказчика воздействию подлежали все пригодные для этого облака и поэтому постоянную контрольную территорию выбрать было невозможно. Во-еторых, работы проводились на большой территории (около 185 ООО км2), характеризующейся высокой физико-географической неоднородностью.

В связи с этим территория Сирии была условно разделена нами на шесть зон (субмишеней), характеризующихся сравнительной однородностью средних многолетних слоев осадков. В каждой зоне в качестве контрольных станций брались только те, которые в течение месяца (архив содержит месячные суммы осадков) оказались вне влияния воздействий, т.е. оказались вне зоны 2-х часового переноса облачности и осадков от линии воздействий. Скорость переноса определялась по данным радиолокационных комплексов АКСОПРИ.

В адаптированном применительно к условиям проекта в Сирии методе исторической регрессии, который был назван "методом плавающего контроля", осадки в зоне с номером m в /с-том месяце и в j-том году "прогнозировались" по линейному уравнению регрессии вида:

X a!"v!l)(y) + Z + cwj + dil>, (3)

|'Е/(пм) iÊ

где v^'ft) - осадки, выпавшие за тот же период на опорной станции с номером /'; коэффициенты aj", b1'', с(>) и d<n определяются методом наименьших квадратов по данным 30-летнего опорного периода.

В уравнении (3) величиной 1(т,к) обозначено множество всех опорных станций, расположенных на площади субмишени с номером т, которые оказались вне зоны влияния воздействий в месяце с номером к рассматриваемого сезона работ. В множество L(m,k) входят ближайшие к субмишени т опорные станции (по одной в каждой прилегающей субмишени), находившиеся в /с-том месяце вне зоны влияния воздействий и доставляющие максимум скорректированному коэффициенту детерминации Rp2 уравнения (3). Rp2 связан с коэффициентом корреляции R2 между фактическими значениями осадков и их прогнозом по регрессионному уравнению (3) соотношением:

R„2 = 1 - (1 - R2) JL- , (4)

n-q

где п - количество наблюдений (в нашем случае п = 30), q - число предикторов в уравнении вида (3). Такой выбор L(m,k) обеспечивает минимальность несмещенной оценки дисперсии случайной ошибки уравнения регрессии и, следовательно, наилучшее качество прогнозирования по выбранному уравнению среди рассмотренных. После того, как оценивающее уравнение выбрано, эффект воздействия на субмишени определяется как разность У™-У™, т.е. разность между фактически выпавшим количеством осадков и их оценкой с помощью уравнения регрессии.

Включение в число предикторов уравнения (3) номера года j вызвано стремлением учесть возможную нестационарность регрессионных связей. Как выяснилось, для условий Сирии эта нестационарность не очень велика.

В разделе 3.3 обсуждаются результаты статистической оценки результатов регулярных воздействий на облака в Сирии в 1991-1996 гг., полученные с использованием предложенного в диссертации метода. В качестве "экспериментальной единицы" брались месячные суммы осадков. Результаты расчетов показали, что относительное увеличение месячного количества осадков на субмишенях в 19911996 гг. менялось от -19,7% до +123,9% (табл.1).

Из табл.1 видно, что для всех шести субмишеней получен положительный эффект. При этом по величине эффекта зоны условно можно разделить на две группы: ^незначительный положительный эффект (от 3 до 7%) - на субмишенях 2, 3 и 4; 2) значительный положительный эффект (от 16 до 22%) - субмишенях 1, 5 и 6. Проверка статистической значимости эффектов с использованием 1-теста показала, что для субмишеней 1, 4, 5 и 6 величина р меньше 0,05 и это означает, что эффект значим на уровне 0,05.

Таблица 1.

Оценка эффективности воздействий для шести субмишеней (зон) и

всей территории Сирии.

Зона Кол-во месяцев Эффект, % Доверит, интервал Значение Р

ср. знач. минимум максимум

1 17 16,4 -19,7 69,5 2,9 +29,9 0,021

2 14 4,6 -16,9 35,7 -5,6 -5-14,7 0,352

3 17 3,1 -19,5 52,4 -6,4 +12,6 0,496

4 16 6,8 -15,3 34,3 0,6 -5-13,0 0,034

5 19 15,7 -8,7 82,8 3,6 +27,8 0,014

6 19 22,4 -2,0 123,9 9,3 +35,6 0,002

Наряду с оценками эффективности воздействий раздельно по субмишеням и месяцам с воздействиями были получены оценки суммарного эффекта для каждого месяца по всей территории Сирии, а также для сезонов и для всего периода работ на субмишенях и на всей территории Сирии. Показано, что оценки суммарного по всей территории Сирии месячного увеличения осадков находятся в более узком диапазоне значений от -1,7% до 49,7% и характеризуются существенно меньшей, чем для отдельных субмишеней, величиной стандартного отклонения (11,7% и 22,7% , соответственно).

Результаты анализа сезонного эффекта воздействий по отдельным субмишеням (табл.2) показывают, что, как и для месячных слоев, наименьший положительный эффект зафиксирован для субмишеней 2 и 3 (2,9% и 2,1%, соответственно). Наибольшие эффекты зафиксированы для зон 1 и 6 (21,1% и 15,7%, соответственно). Причем осредненные по пяти сезонам оценки эффекта воздействий

для трех субмишеней (1, 4 и 6) характеризуются величиной р менее 0,05 , т.е. являются статистически значимыми.

Анализ результатов сезонной эффективности воздействий для территории Сирии в целом (табл.3) показал, что за пять сезонов работ было получено от 0,9 до 4,8 км3 дополнительной воды, что составило 6,9 - 16,5% от естественных осадков. При этом для трех сезонов из пяти величины эффекта были статистически значимыми. За 5-летний период работ в Сирии в среднем за сезон было получено 3,1 км3 дополнительной воды, что составляет 12% от их естественного объема.

Таблица 2.

Оценка эффективности воздействий раздельно по зонам для сезонов 1991-96 гг.

Фактическое Оценка коли- Эффективность Относительная Значение

Зона количество чества воздействий эффективность Р

осадков (км3) осадков (км3) (км3) воздействий (%)

Зона 1 2,936 2,425 0,511 21,1 <0,05

Зона 2 4,081 3,966 0,115 2,9

Зона 3 2,057 2,015 0,042 2,1

Зона 4 2,667 2,444 0,223 9,1 < 0,05

Зона 5 7,973 7,274 0,699 9,6

Зона 6 12,281 10,612 1,669 15,7 <0,05

Таблица 3.

Оценка эффективности воздействий для 5-ти сезонов для всей территории Сирии

Фактическое Оценка коли- Эффективность Относительная Значение

Сезон количество чества воздействий эффективность Р

осадков (км3) осадков (км3) (км3) Воздействий

(%)

1991-1992 33,857 29,073 4,784 16,5

1992-1993 28,814 24,731 4,083 16,5 <0,05

1993-1994 30,246 27,077 3,169 11,7 <0,05

1994-1995 14,058 13,152 0,906 6,9

1995-1996 36,607 34,023 2,584 7,6 <0,05

1991-1996 29,667 26,58 3,086 11,6 <0,05

Наряду с посезонной оценкой значимости эффекта воздействий были проведены оценки статистической значимости осредненной по двум, трем, четырем и пяти сезонам, Результаты расчетов показали, что из четырех двухгодичных периодов в трех было зафиксировано значимое увеличение осадков. Оценки, полученные при осреднении за три - пять сезонов оказались статистически значимыми на уровне значимости 0,05.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Анализ данных о многолетних рядах осадков показал, что в Сирии за период с 1959 по 1991 гг. наблюдалось значительное уменьшение количества атмосферных осадков. Так объем четырехмесячных (с декабря по март) осадков уменьшился с 36,5 км3 в 1959-1960 гг. до 31,4 км3 в 1990-1991 гг. Таким образом, за 32 года осадки уменьшились в среднем на 5,1 км3 или на 14%.

2. Исследованы особенности годового хода осадков в Сирии. Анализ данных за период с 1959 по 1991 гг. показал, что на юге и западе Сирии сезон осадков начинается и заканчивается на месяц раньше, чем на востоке и северо-востоке.

3. Исследована степень коррелированное™ количества зимних осадков на 47 опорных станциях метеорологической сети Сирии, имеющих непрерывные ряды наблюдений, начиная с 1959 г. Показано, что наблюдаются высокие значения коэффициентов корреляции между количеством осадков, измеренных на станциях, расположенных в одной и той же географической зоне.

А. На основе многолетних данных о количестве осадков и урожайности обычной и высокопродуктивной пшеницы, а также ячменя впервые определены регрессионные зависимости урожайности этих основных сельскохозяйственных культур Сирии от количества выпадающих за четыре зимних месяца осадков. С использованием полученных моделей "урожай - осадки" спрогнозирована высокая экономическая эффективность работ по увеличению осадков в Сирии.

5. Впервые в Сирии создана современная информационно-измерительная система, включающая в себя четыре самолета-метеолаборатории (два АН-26 и два ЯК-40), автоматизированную радиолокационную сеть из четырех комплексов АКСОПРИ, аппаратуру приема спутниковой информации, центр обработки и анализа самолетной, радиолокационной и наземной осадкомерной информации, оперативный центр управления работами по увеличению осадков.

6. На основе метода исторической регрессии разработан новый способ статистической оценки оперативных работ по искусственному увеличению осадков на большой территории, характеризующейся большой пространственной неоднородностью осадков.

7. С помощью разработанного метода получены статистические оценки месячного и сезонного эффекта увеличения осадков как в отдельности по каждой из шести зон, на которые была разделена территория Сирии, так и по всей территории Сирии. По оценкам за 5-летний период работ в среднем за сезон было получено 3,1 км3 дополнительной воды, что составляет 12% от их естественного объема.

8. Статистический анализ эффектов воздействий в 1991-1996 гг. показал, что при работах на большой территории статистически значимые оценки увеличения осадков могут быть получены за 2-3 сезона.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Abbas Ali, Budur-AI-Bunni, Mohamed-AI-Bunni. Statistics of precipitation in Syria. -Proc. of Seminar on Planning and Statistics, SAR, Damascus, 1980, 1-10 (на арабском языке).

2. Abbas Ali. An influence of irrigation on microclimate of Syria. - Proceedings of the First Arab Agrometeorological Seminar (Damascus, 10-23 May, 1982), ACSAD/DX/ T-20, Damascus, 1982, 230-247 (на арабском языке).

3. Abbas A. and Halabi S. Cloud Seeding Project in Syria 1991-1993. Results and Efficiency. - VI WMO Sci. Conf. on Weather Modification, Italy, Paestum, 1994, vol.1, 325-328.

4. Shipilov O.I., Koloskov B.P., Abbas A. Statistical evaluation of cloud seeding operations in Syria (1991-1993). - VI WMO Sci. Conf. on Weather Modification, Italy, Paestum, 1994, vol.1, 341-345.

5. Аббас А., Колосков Б.П., Шипилов О.И. Предварительная статистическая оценка результатов работ по увеличению осадков в Сирии. - Серия "Вероятность и статистика", Обозрение прикладной и промышленной математики, вып.2, Научное издание "ТВП", Москва, 1995, 166-175.