Методы корректировки и анализа радиолокационных параметров конвективных облаков в задачах активного воздействия на градовые процессы

Чочаев, Хизир Хусейнович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Методы корректировки и анализа радиолокационных параметров конвективных облаков в задачах активного воздействия на градовые процессы
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Методы корректировки и анализа радиолокационных параметров конвективных облаков в задачах активного воздействия на градовые процессы"

На правах рукописи

Чочаев Хюир Хусейнович

МЕТОДЫ КОРРЕКТИРОВКИ И АНАЛИЗА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ В ЗАДАЧАХ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГРАДОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Специальность 25.00.30- Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нальчик-2009

003474658

Работа выполнена в ГУ «Высокогорный геофизический институт»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор А.В.Шаповалов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Г.Г.Щукин

кандидат физико-математических наук П.Е. Марченко

Ведущая организация: Технологический институт Южного федерального университета, г. Таганрог.

Защита состоится «24» июля 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.001.01 при ГУ «Высокогорный геофизический институт» по адресу: 360000, КБР, г.Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института.

Автореферат разослан «22» июня 2009 г.

Ученый сефетарь Специалгоированного совета, доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В Российской Федерации и в ряде зарубежных стран успешно применяется ракетный метод активного воздействия на градоопасные и градовые облака с целью предотвращения или прерывания града, разработанный в Высокогорном геофизическом институте в 60-70 годы прошлого столетия и развиваемый в настоящее время. Наряду с общим успехом противоградовых работ, в этой сфере до сих пор существуют проблемные вопросы, решение которых может существенно повысить надежность и экономическую эффективность мероприятий по борьбе с градом. К ним относятся: вопросы калибровки показаний метеорологических радиолокационных станций (МРЛ), вопросы идентификации объектов активного воздействия (градовых и градоопасных облаков) по их радиолокационным параметрам, определение места внесения и дозировки реагента при воздействии и другие.

Современное состояние физики облаков характеризуется тем, что до настоящего времени нет полной теории образования и развития градовых облаков в естественных условиях и при активном воздействии. Можно ожидать, что ряд вопросов теоретического характера в этой области будет решен в ближайшем будущем на основе математического моделирования с применением физически адекватных численных моделей.

Наряду с теоретическим подходом, некоторые из проблем, которые связаны с активными воздействиями на градовые облака, могут быть решены и экспериментально-статистическими методами. Это относится к вопросам калибровки показаний МРЛ и к определению объектов воздействия (ОВ). В частности, актуальной является задача оперативной корректировки радиолокационной отражаемости МРЛ с учетом структуры радиоэха и фактических осадков, для того, чтобы активное воздействие (АВ) могло быть выполнено максимально эффективно.

Также очень важной является задача определения систематических поправок при измерениях радиолокационной отражаемости на расстояниях, превышающих 100 км от МРЛ. В перестроечные времена, в Северо-Кавказской и Ставропольской военизированных службах сложилась ситуация, когда соседние радиолокаторы стали располагаться на расстояниях более чем 150 км. При такой ситуации, выход из строя какой-либо радиолокационной станции приводил к тому, что территория в сотни тысяч гектаров оставалась незащищенной от градобития. Поэтому, возникла необходимость в определении радиолокационных параметров облаков, во всем диапазоне дальностей зоны действия МРЛ, для подстраховки удаленных противоградовых подразделений или контроля их работы.

Одним из ключевых вопросов противоградовой защиты является корректное определение объектов воздействия. Град выпадает из кучево-дождевых облаков (СЬ), но далеко не каждое СЬ облако генерирует град, выпадение которого способно нанести тот или иной ущерб на территории, над которой проходила ячейка. С другой стороны, чем больше облаков подвергаются воздействию, и чем больше кратность засева, тем больше

расходуется противоградовых изделий (ПГИ), и тем дороже становится защита.

Опыт работы с критериями, определяющими ОВ 1-2-й категории по действующему руководящему документу (РД), показал, что они завышают количество объектов. В связи с этим, актуальной задачей также является разработка более точных критериев. Цель работы.

Целью диссертационной работы является:

усовершенствование методов определения радиолокационных

характеристик конвективных облаков в зоне обзора;

разработка статистически обеспеченных критериев оценки градоопасности конвективных облаков на основе их радиолокационных параметров и выработка более экономных методов расхода ПГИ. Комплекс решаемых в работе задач включает в себя:

- разработку методики калибровки радиолокационного сигнала по данным о структуре радиоэха и выпадающих фактически осадках;

- обработку материалов радиолокационных наблюдений градовых облаков с двух пунктов, разработку методики восстановления сигнала на дальностях, превышающих 100 километров;

- разработку одноволнового метода классификации кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности;

- апробацию разработанных критериев на практике.

Научная новизна.

1. Разработана методика оперативной корректировки показаний МРЛ с учетом структуры радиоэха ячейки и выпадающих из нее осадков.

2. Впервые разработана методика восстановления радиолокационного сигнала на дальностях, превышающих 100 км от метеорологического радиолокатора.

3. На основе анализа материалов радиолокационных наблюдений в СевероКавказской ВС за период с 2001 по 2008 годы впервые определены среднестатистические значения поправок на дальность для МРЛ-5 центрального командно-диспетчерского пункта. Получено уравнение регрессии, выражающее зависимость величины поправки от расстояния.

4. Впервые разработан одноволновый метод классификации градоопасности кучево-дождевых облаков в зависимости от их радиоэха. Разработаны усовершенствованные радиолокационные критерии идентификации ОВ.

5. Осуществлена многолетняя экспериментальная проверка разработанных критериев идентификации ОВ.

Практическая значимость результатов. 1. Разработанный метод классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степени градоопасности позволяет сократить количество ОВ и добиться уменьшения себестоимости противоградовых работ. На основе метода разработаны рекомендации по:

- контролю и корректировке в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы РЛС;

- режиму засева объектов воздействия;

- оценке эффекта активного воздействия;

- оценке с использованием 10-ти сантиметрового канала МРЛ-5 вида выпадающих осадков и размера градин;

-оптимальному использованию воздушного пространства при проведении противоградовых работ;

- архивации получаемых радиолокационных материалов.

2. Оперативная корректировка радиолокационной отражаемости МРЛ с учетом структуры радиоэха ячейки и выпадающих из нее осадков позволяет с высокой вероятностью идентифицировать категорию ОВ в зоне обзора, тип и интенсивность выпадающих осадков. Это дает возможность корректно проводить операции по активному воздействию на градовые облака.

3. Методика и результаты определения поправок на дальностях, превышающих 100 км позволяют определять реальную радиолокационную отражаемость во всем диапазоне действия МРЛ. Полученные значения поправок использованы в программном обеспечении обработки радиолокационной информации в Северо-Кавказской ВС. В результате возросла надежность противоградовых работ в Карачаево-Черкесской республике за счет исключения срывов воздействия. Аналогичные поправки могут быть определены для других автоматизированных систем.

4. Результаты исследований применены для разработки рекомендаций по усовершенствованию методики активных воздействий на градовые облака.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Методика оперативной корректировки показаний МРЛ с учетом структуры радиоэха ячейки и выпадающих из нее осадков.

2.Методика восстановления радиолокационного сигнала на дальностях, превышающих 100 км.

3.Результаты определения систематических поправок для восстановления радиолокационного сигнала от конвективных облаков на дальностях, превышающих 100 км, которые автоматически учитываются в системах анализа и отображения данных МРЛ.

4.0дноволновый метод классификации кучево-дождевых облаков по степени градоопасности и усовершенствованные критерии идентификации ОВ. Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность результатов исследования статистически обеспечена применением материалов наблюдений за кучево-дождевыми облаками в период с 2001 по 2008 годы, корректностью методов решения соответствующих задач, сопоставлением полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными.

Обоснованность предложений по восстановлению радиолокационного сигнала обеспечена большой выборкой экспериментального материала и сопоставлением с данными контрольной РЛС, применением апробированных приемов статистической обработки радиолокационных данных.

Достоверность результатов по одноволновому методу классификации кучево-дождевых облаков обеспечена большой статистической выборкой данных, многолетней экспериментальной проверкой критериев.

Личный вклад автора.

Экспериментальный материал собран специалистами Северо-Кавказской ВС при непосредственном участии автора, в ходе многолетней оперативной работы. Все основные результаты работы также получены автором, в частности:

- выполнен анализ и обобщение обширного материала по активному воздействию на градоопасные и градовые облака;

- определены систематические поправки на радиолокационный сигнал, полученный от ОВ на расстояниях, превышающих 100 км;

- проведен статистический анализ градовых процессов за ряд лет и получены эмпирические формулы, выявляющие связь между параметрами радиолокационной отражаемости грозо-градовых процессов с параметрами, характеризующими состояние атмосферы;

- проведен анализ результатов активных воздействий на градовые процессы с учтенными систематическими поправками на расстояниях от 100 до 200 км.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельскохозяйственных культур от градобитий, г.Нальчик, 1012 октября 2007 г; на IX Всероссийском Симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенняя сессия), г.Кисловодск, май 2008 г; 5-10 октября 2008 г; на юбилейной конференции, посвященной 50-летию отдела физики облаков ГУ «Главная геофизическая обсерватория», г.Санкт-Петербург, ноябрь 2008 г; на итоговых сессиях Ученого совета и Общегеофизических семинарах ГУ «Высокогорный геофизический институт».

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ общим объемом 1,4 печатных листа, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК МОН РФ, объёмом 0,8 печатных листа.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 112 страниц машинописного текста, включая 16 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 85 ссылок, в том числе 21 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, характеризуются теоретические и методологические основы, объект и предмет исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также апробация работы.

В первой главе представлены результаты анализа современного состояния проблемы радиолокационных измерений метеорологических объектов, калибровки MPJ1, одноволновых методов идентификации объектов

активного воздействия (градовых и градоопасных облаков) по их радиолокационным параметрам при дистанционных наблюдениях.

Отмечаются вопросы, которые изучены недостаточно, или решение которых не отвечает практике АВ на град.

Рассмотрены факторы, влияющие на уменьшение максимальных значений радиолокационной отражаемости метеообъектов на больших расстояниях. В частности, ослабление сигнала, связанное с шириной диаграммы антенны.

Антенная система МРЛ характеризуется шириной диаграммы направленности излучения, уровнем боковых лепестков, коэффициентом усиления по мощности.

Направленность излучения антенны характеризуется шириной диаграммы в вертикальной 0 и горизонтальной у плоскостях, определяемой как угол в котором излучаемая мощность равна половине максимальной мощности излучаемой в направлении оси диаграммы. Форма и ширина диаграммы направленности излучения определяется формой, размерами антенны и рабочей длиной волны. В МРЛ обычно применяются антенны в виде параболоида вращения, которые имеют осесимметричную конусовидную (игольчатую) диаграмму направленности излучения (рис.1). Для таких антенн

0 = ^ = 0,688/1//^

где Б — диаметр параболоида в метрах.

В зависимости от ширины диаграммы направленности излучения разрешающая способность МРЛ по угловым координатам Ь в первом приближении может быть определена из выражения

Ь = Явг (2)

где Ь — минимальное расстояние в метрах между двумя точечными целями в тангенциальном направлении, на котором возможно их раздельное обнаружение; Я — расстояние до целей в метрах; 8 — ширина диаграммы направленности излучения в радианах.

Коэффициент усиления антенны по мощности в характеризует направленные свойства антенны и показывает, во сколько раз мощность изотропного излучателя должна быть больше мощности направленного излучателя, чтобы в заданной точке пространства создать такой же поток энергии. Значение в связано с шириной диаграммы направленности излучения приближенным соотношением

Су**/?, , (3)

где у — КПД антенны, равный для параболических антенн 0,5— 0,6; 6р — ширина диаграммы направленности в радианах.

С увеличением расстояния от радиолокатора уменьшается его разрешающая способность по угловым координатам. Диаграмма направленности антенны становится настолько широкой, что влияет на точность измерения высоты и площади радиоэха. Например, на расстоянии 300

км при 0=1° линейные размеры сечения диаграммы направленности антенны составляют примерно 5 км, в то время как на расстоянии 30 км они равны 0,5 км. Отсюда следует неравномерность радиолокационной информации о высотах и площадях, занятых облачностью, и ее зависимость от расстояния. Вследствие этого на расстояниях свыше 100 км уменьшается значение максимальной радиолокационной отражаемости облаков из-за осреднения по ширине диаграммы.

Рисунок 1. Диаграмма направленности излучения антенны РЛС в полярных координатах.

Уравнение радиолокации метеоцелей связывает среднюю мощность радиоэха р< с параметрами радиолокатора и отражающими свойствами метеообъектов. При условии однократного и некогерентного рассеяния оно записывается в виде:

где г| — радиолокационная отражаемость метеоцелей в см-1, равная сумме поперечных сечений обратного рассеяния всех частиц в единице облачного объема; Рт — импульсная мощность передатчика в ваттах; в — коэффициент усиления антенны; X — длина волны в сантиметрах; с — скорость света в см/с; х — длительность импульса в секундах; 0 — ширина диаграммы направленности излучения в радианах; Рш = Р0 — чувствительность приемного устройства в ваттах; \ — общее затухание, вносимое волноводно-фидерным трактом и на прием и на передачу в децибелах.

С учетом объединения параметров МРЛ в одну постоянную уравнение (4) можно записать в виде:

Р, _ Р,в2Х2ствг г! Рш ~ Рш45х21п2 Я2

10"°^

(4)

(5)

где

Ргв2Я2ств2

Рш\0"к -7-10'

(6)

— постоянная радиолокатора в Вт-см2-смс/(Втс) или см3, определяющая энергетический потенциал радиолокатора;

По величине постоянной С*, можно оценивать различные радиолокаторы с точки зрения их обнаруживающей способности.

В логарифмах вычисление С>. производят по следующей формуле:

Из уравнения (5) при Рш = Ро получается, наиболее часто применяемая формула для радиолокационной отражаемости:

7 = 10 °'1"Л2/С,( (8)

или в логарифмах р

где п = --мощность радиоэха в децибелах относительно Рш;

И. — расстояние в сантиметрах; С).— в см3.

В целом все МРЛ-5 работают достаточно стабильно и радиолокационная постоянная 10-ти сантиметрового канала (С-,) практически для любой станции, работающей в штатном режиме при длительности импульса зондирования 1 мкс, близка к значению 1.0-1026 см3. Определяется с помощью одиночной цели - стандартной радиолокационной мишени. Операция подъема достаточно трудоемкая, поэтому С\ как правило, определяется не более одного раза в год. Вместе с тем замечено, что изменения потенциал АСУ имеют и сезонный, и даже суточный ход. При этом порядок изменения в пределах 2-5 децибел, как правило, приводит к завышению численных значений измеряемых параметров метеорологических объектов и никак не учитывается в оперативной работе.

В главе 1, также приводится анализ одноволновых методов индикации, используемых в практике противоградовых работ.

Для этого проведен анализ информации о граде по двум полигонам, которые расположены вдоль Кавказского хребта примерно в одинаковых физико-географических и аэросиноптических условиях (рис.2). Площади полигонов (около 2 тыс. км2), структура сельскохозяйственных угодий и их площадь также мало отличаются, что позволяет достаточно уверено говорить о примерно одинаковой градоопасности полигонов и ожидать примерно одинакового количества дней с выпадением града, наносящего ущерб сельскому хозяйству. На полигоне II, начиная с шестидесятых годов, ежегодно проводились активные воздействия на грозо-градовые процессы. На полигоне I воздействие практически никогда не проводилось. Учитывая, что основное направление переноса воздушных масс юго-западное и западное, можно считать, что воздействия, проводимые на полигоне II, практически не могли влиять на характер процессов, реализующихся над полигоном I.

Рисунок 2. Схема расположения полигонов на Северном Кавказе.

Тонкие ломаные линии - горные хребты, утолщенные линии -границы полигонов.

Результат анализа данных о градобитиях, зафиксированных на полигонах советским госстрахом на протяжении 26 лет, представлен в таблице 3. Как видно из таблицы, среднее количество дней с градом на полигоне I при естественном ходе грозоградовых процессов составляет 5 дней в году, а на полигоне II 3 дня. Разница, по-видимому, возникла за счет предотвращения градобитий вследствие засева облаков на полигоне II. Исходя из принципа одинаковой градоопасности полигонов логично предположить, что количество дней с воздействиями на полигоне II, в идеальном случае должно приближаться к пяти. В действительности, среднее количество дней с воздействием (22) более чем в 4 раза превышает ожидаемое значение. То есть в течение 17 дней проводятся воздействия на ячейки, которые не приведут к градобитиям.

Таблица 1. Градовые процессы на контрольной (I) и защищаемой (II) территориях.

ПАРАМЕТРЫ КОЛИЧЕСТВО ДНЕЙ

с ущербом на полигоне I с ущербом на полигоне II с воздействием на полигоне II

Всего за 26 лет: 122 75 520

Среднее за год: 5 3 22

В настоящее время при радиолокационном наблюдении кучево-дождевых облаков принадлежность их к объектам воздействия той или иной категории определяется руководством РД 52.37.596-98, а конкретно таблицей 2.

Таблица 2. Критерии распознавания ОВ по РД 52.37.596-98.

Категория ОВ Превышение, км Максимальная отражаемость 0В2д)наХ = Юсм.авг Вероятность выпадения града Рг Разность АЪ максимальной отражаемости на ^1=3.2 см и А.2=Ю см, ¿вг ш = гХ1-тю)

1-я 2-я 3-я 4-я Примечани ДНз; и АН45 соответстве К АНт< 4 АНз5> 2,5 ЛН45 > 3 АН45 > 4 ДНп - высота - превышение нно с Zio= 35 с 15< 2/о < 35 35<2/о< 55 г10> 55 2,0> 65 максимума ради областей повыш вг и гш = 45 ав Рг = 0 0,1 < Рг<0,5 Рг> 0,5 Рг = 1 оэхо над уро! енной отража Z над уровне! 1 < АЪ < 5 дг<-1 дг<-ю ¡нем изотермы 0°С: емости и изотермы 0 °С.

Для оценки качества данных критериев создана база из 1222 ячеек. Были отобраны ячейки, у которых высота изоконтура 35 сШг (Н35) достигла на начальной стадии развития уровня Но+2,5 км, установленного действующим РД в качестве критерия для градоопасных объектов воздействия 2-й категории (таблица 2).

С момента обнаружения таких ячеек и до момента, когда они становились не градоопасными (Н35<Но+2.5), с 3 минутным интервалом фиксировалась категория каждой ячейки согласно таблице 2.

Ячейки были отобраны в течение летнего сезона 2002 года с помощью АСУ «Мерком» в радиусе 10-100 км относительно МРЛ.

Анализ созданной базы данных позволил разделить все ячейки по виду выпадающих осадков на две группы таблица 3.

Таблица 3. Разделение ячеек по виду выпадающих осадков.

Н35>Но+2.5, Z>55 град Z<55 дождь

1222 89 1133

100% 7% 93%

В 1-ю группу вошли 89 ячеек, достигших 3-4 категорий (£>55 дХЩ, что соответствует выпадению твердых осадков. Остальные 1133 остались во 2 категории (¿>55 и вошли во 2-ю группу, соответствующую жидким

осадкам.

Таким образом, лишь одна из 13 ячеек, подлежащих обработке, достигает градовой стадии. То есть, при попытке предотвратить образование града в одной ячейке, воздействию подвергаются еще 12 ячеек, которые твердых осадков не дадут.

В целом и завышенное количество дней с воздействием, отмеченное на полигоне 2, и десятикратная перестраховка при определении ОВ, позволяют говорить о необходимости доработки применяемых параметров, определяющих категорию ОВ.

Во второй главе приведены результаты анализа экспериментального материала наблюдений за грозо-градовыми процессами в Северо-Кавказской военизированной службе, методика определения систематических поправок на расстояниях, превышающих 100 км, а также методика оперативной корректировки радиолокационной отражаемости с учетом структуры радиоэха ячейки и выпадающих из нее осадков.

Систематические поправки на расстояниях, превышающих 100 км, вводятся для компенсации уменьшения радиолокационных характеристик ячейки вследствие расширения радиолокационного луча, когда относительно узкие изоконтуры отражаемости с большими значениями усредняются с другими изоконтурами, с низкими значениями.

Сущность подхода заключается в следующем. В уравнение (9) вводится поправка Л", выраженная в дБ:

187 = 0>1(я+Д«)+21ёй-1§Ся, (10)

Ди = 0 Л < 100км Дл#0 Л>100ки

Для определения поправки Дп использовались данные двух МРЛ-5, расположенных в поселке. Псынабо (в 30 км от Нальчика) и вблизи города Черкесск. Схема расположения радиолокаторов представлена на рис.3.

Расстояние между радиолокаторами составляло 175 км. Информация МРЛ №2 являлась контрольной, а информация МРЛ №1 восстанавливалась за счет изменения потенциала и ширины диаграммы направленности данной станции.

Рисунок.З. Схема расположения МРЛ, используемых при анализе радиоэхо объектов воздействия

Оба МРЛ оснащены АСУ «Мерком», позволяющими получать информацию о СЬ облаках с интервалом около 3 мин.

Сравнивались радиоэха СЬ облаков, отражаемость от которых, как правило, достигала значений 35 dBZ и более. Подбирались такие обзоры, которые по времени отличались друг от друга менее чем на 1 мин.

Всего было отобрано для восстановления около 250 пар обзоров, полученных в 2003-2005 и 2007 годах. (В таблице 4 приведен лишь фрагмент данных, а все обработанные данные в полном виде, приведены в приложении к диссертации). В колонках 4 и 5 таблицы приведены добавляемые децибелы, необходимые для восстановления сигнала, а также среднестатистические расчетные. При этом, допустимой считалась погрешность в ±1 дцб. Распределение восстанавливаемых объектов по диапазонам дальностей представлено на рис.4.

Объектами сравнения служили, в первую очередь, вертикальные разрезы отображающие высоту фиксированных значений радиолокационной отражаемости 15, 25, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 dBZ, а так же их горизонтальные разрезы, выполненные на одной и той же высоте.

Основными критериями сравнения являлись максимальные значения радиолокационной отражаемости и высоты изоконтуров 45 или 35 с1В2. Дополнительно определялся и сравнивался номер разряда по классификации контрольного и восстанавливаемого радиоэхо, т.е. проверялась степень совпадения градоопасности восстанавливаемого объекта (рис.5).

Таблица 4. Экспериментальные данные для расчета поправок по мощности радиолокационного сигнала на различном удалении от МРЛ. (фрагмент данных).

Дата Время обзора МРЛ №1 и МРЛ №2 Азимут (град) и дальность (км) Добавлено, децибел № по классификации

Факт Табл

1 2 3 4 5 6

07.07.03 14 48 56 301 164 4 4 7.3

14 48 40 61 17 7.3

15 07 42 305 153 3 3 7.1

15 08 02 70 30 7.1

08.06.04 14 57 24 291 196 7 7 5/6

14 57 54 249 29 5/6

15 05 48 291 192 7 7 7.1

15 06 24 247 24 7.1

22.06.04 14 49 00 289 156 3 3 5

14 49 46 161 30 5

14 49 46 273 110 0 0 7.2

14 49 46 143 87 7.2

15 51 50 290 177 5 5 5

15 51 42 209 18 5

Зависимость Ли от II была выражена следующим уравнением регрессии:

Ап = а + /}Я . (11)

Параметры уравнения регрессии а и /? определялись в работе методом наименьших квадратов по совокупности экспериментальных точек {Дп-,Щ. Получены следующие значения а = -12, /? = 0,1- Коэффициент корреляции г>0,9. Анализ отобранных обзоров позволил определить представленные в таблице 5 усредненные поправки по потенциалу МРЛ в зависимости от расстояния.

Полученные поправки включены в программу вторичной обработки радиолокационных данных для автоматического учета и корректировки сигналов объектов АВ, удаленных от МРЛ №1 на расстояния более чем 100 км.

»л ;и мл 1}0

. 1М1Ш

14) ш

• •

" /

: /ГРГМ ...... . • .

• • Схема |>пспределенш

•• > ! ,' восстанавливаемых

метео ооьектов

я «(йЯи К4»МШК1Ш I б|4кШ

' I 1 " И " «(отимтш* гггрмсст»,

•• _ грпаомп кгС МВМВШ 1 I" и

■С.

. I '

.-1 щ

■ III

190 т

Рисунок 4. Распределение метеообъектов по диапазонам дальностей между МРЛ КДП «Черкесск» и КДП «Псынабо».

Таблица 5. Округленные значения поправок к потенциалу МРЛ в зависимости от расстояния до ОВ.

Округленные

Б, км значения поправок

(Ди), дБ

120 0

130 1

140 2

150 3

160 4

170 5

180 6

190 7

200 8

На рисунках 6-9 представлены примеры восстановления радиоэха 4-х ячеек, расположенных на разных расстояниях от МРЛ-1.

Рисунок 6. Радиоэхо с МРЛ № 1 29.06.2007 г. в 17ч.40м. (горизонтальное сечение на уровне 5,1 км и вертикальные разрезы четырех ОВ

до восстановления.)

КРЛ № 1

Рисунок 7. Радиоэхо с МРЛ № 2 29.06.2007 г. в 17ч.44м. (горизонтальное сечение на уровне 5,1 км и вертикальные разрезы тех же 4-х объектов). Фактические значения параметров градовых облаков, наблюдаемые с контрольного МРЛ № 2, к которым приводились значения параметров МРЛ 1.

МРЛ № 1

(не восстановленный)

объект№ 1 121 км

объект№2 143 км

МРЛ Ж 2

(контрольный)

объект№ 1 56 км

объект №2 45 км

МРЛ № 1

(восстановленный)

объект № X 121 км 0 дцб

объект№ 2 143 км +2 дцб

Рисунок 8. Восстановленное радиоэхо с МРЛ №1 объекты 1, 2.

ОБЪЕКТ №3 180 км

МРЛ № 1

(не восстановленный)

объект №4 215 км

Ж.

МРЛ №2

(контрольный)

объект№3 17 км

ю I

объект№4 41 км

ив .

¿Ж дМ

объект Л* 3 180 км +ЙДЦ6

МРЛ № 1

(восстановленный)

объект К» 4 215 км +9лИ5

' !_-

Рисунок 9. Восстановленное радиоэхо с МРЛ № объекты №3 и №4.

Условные обозначения те же, что и на рис.5-6.

Следует отметить, что:

- чем интенсивнее ячейка, выбираемая в качестве контрольной, тем выше степень совпадения с ней восстановленной ячейки и наоборот.

- полученные для восстановления поправки применимы конкретно для данного МРЛ и их распространение на другие РЛС без дополнительной проверки - нежелательно.

- совпадение местоположения в пространстве восстанавливаемой ячейки с местом его реального расположения сильно зависит от точности измеряемого расстояния и правильности ориентировки МРЛ. Так, ошибка в ориентировке на 1° , приводит на расстоянии 200 км к сдвигу радиоэха более чем на 3 км.

Таким образом, решена задача по проведению воздействия на грозо-градовые процессы с головного КДП Северо-Кавказской военизированной службы и обеспечения качественного контроля за работой КП Карачаево-Черкесской ВЧ, удаленной на 175 км. В процессе выполнения данной работы были успешно проведены воздействия в районе г.Черкесск во время выхода из строя МРЛ №2.

Следующий вопрос, который рассмотрен в главе 2 - это оперативный контроль калибровки АСУ.

Для определения количественных изменений потенциала АСУ и учета их при анализе измеряемых параметров непосредственно в процессе наблюдения были разработаны достаточно простые правила, обеспечивающие контроль и коррекцию потенциала АСУ практически при каждом отдельно взятом процессе.

Так, учитывая физические основы образования ливневых осадков (в том числе и града), правильность калибровки систем МРЛ в оперативном режиме может контролироваться:

a. При наличии достоверной информации о выпадении осадков в виде дождя или дождя с крупой при отсутствии в структуре радиоэха изоконтура 55 с1В2; (согласно РД по применению радиолокаторов МРЛ-5, п.3.5.2)

b. При высоте изоконтура 45 ¿В2 меньше 1.5Но отсутствием в структуре радиоэха развивающейся ячейки, изоконтура 55 с!В2 (идеально, когда область, ограниченная изоконтуром 45 с!В2, полностью располагается в теплой части).

c. При наличии достоверной информации о размере и концентрации выпадающего града сопоставлением радиоэха текущего (на момент выпадения града) обзора с соответствующими отображениями по Классификации. При этом, разряд подбирается в соответствии с фактической информацией о выпадающем граде. ;

<1. Отсутствием на земле следов града при градовой структуре радиоэха (разряд 12,13,14).

При необходимости калибровка корректируется уменьшением потенциала системы в случаях а, Ь, с1 или увеличением (уменьшением) потенциала в случае с.

Используя радиолокационную информацию, необходимо убедиться в отсутствии в радиоэхо ячейки отраженных сигналов от местных предметов.

В главе 2 также приведены теоретические материалы, которые используются для интерпретации полученных экспериментальных зависимостей.

В главе 3 представлены усовершенствованные радиолокационные критерии идентификации ОВ. Новые экономичные критерии основаны на анализе структуры вертикального разреза радиолокационной отражаемости, которые также включают в себя параметр 2Н0, являющийся физической характеристикой стратификации атмосферы.

Одноволновый метод классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степеии их градоопасности.

В данной работе решена задача сокращения количества обрабатываемых ОВ, находящихся в доградовой стадии развития без снижения эффективности АВ. Для этого была использована гипотеза, дающая представление о необходимых условиях выпадения на землю твердых осадков. Суть её заключается в следующем:

Предполагается, что при наличии восходящего потока, подъём воздушной массы как в тёплой, так и в холодной частях атмосферы осуществляется по одному и тому же закону (6°С на 1 км). При этом, поднимаясь в теплой части, воздушная масса будет охлаждаться, выше уровня конденсации появятся капли, которые, пройдя уровень нулевой изотермы, будут замерзать, превращаясь со временем в градины с определенной отрицательной температурой. Минимальная температура градины (Ттт) будет зависеть от предельной высоты, на которую она поднимется относительно уровня нулевой изотермы (Нпод), в виде:

Ттт=Нпод(-6°С) (12)

Достигнув определенных размеров, градины будут опускаться. Допускается, что в холодной части их температура практически меняться не будет. Ниже уровня нулевой изотермы, градины начнут нагреваться и таять. Прирост температуры градины (ДТ) на пути от высоты Но до поверхности земли, будет зависеть от высоты нулевой изотермы над уровнем моря в виде:

ДТ=Но-6°С (13)

Температура градины на поверхности земли (Тгр), будет определяться в

виде:

Тгр=Тппп - ДТ (14)

Вид осадков, выпадающих на землю, будет зависеть от Тгр. Если Тгр>0°, то будет дождь. Если Тгр=0°, то крупа. Если Тгр<0°, то град.

Изложенная схема представлена на рис.10. При необходимости учета зависимости вида осадков от высоты места выпадения над уровнем моря расчет Тгр проводится по формуле:

Тгр=Ттш - (ДТ - Ну.м.-6°С) (15)

формулу (15) целесообразно использовать при высотах местности более 500 м.

-9 км

а)

-2ТС

-18°С

-18°С - • -

-9 С

—6 км

: 3 км

18 С

9°С 0°С -91С ,0,-, . О О • •

Рис.10. Схематическая зависимость вида осадков от предельной высоты, достигаемой той или иной градиной.

Зеленые кружки обозначают жидкое состояние, черного цвета - твердое состояние, комбинированные - вероятно и то и другое состояние; двойная красная линия - высота 0°С.

Таким образом, у тающей градины появляется вариант попасть на землю в твердом состоянии (с отрицательной температурой) в том случае, когда её путь в холодной части будет не меньше пути в теплой части, то есть градина в процессе роста должна достичь высоты 2Но.

Адаптируя полученные выводы к радиолокационным наблюдениям, можно считать, что необходимым условием выпадения из конвективной ячейки града, способного нанести ущерб сельскохозяйственным посевам, является достижение верхней границы изоконтура, ограниченного изолинией высоты, равной удвоенному значению высоты нулевой изотермы (2Н0) и более. Если радиолокационная отражаемость достигает значения большего 55 ёВ2, то выполняется и достаточное условие выпадения града.

При этом изоконтур радиолокационной отражаемости 45 (1В2 ограничивает зону зарождения и роста града, где происходит .образование зародышей града и их начальный рост, а изоконтур радиолокационной отражаемости 55 с1В2 ограничивает зону локализации града, где локализуется град, включая и зону его выпадения.

Таким образом, градовыми ячейками можно считать ячейки, у которых 2тах>55 АШ,, а область, ограниченная изолинией 45 ¿В2, достигает высоты 2Но и при этом на земле фиксируется выпадение града. Интенсивность выпадающего града будет увеличиваться по мере увеличения значения гтах и превышения относительно 2Н0 области, ограниченной изолинией 45 ¿В2.

Очевидно, что в развивающейся ячейке, прежде чем область ограниченная изолинией 45 ёВг, будет обнаружена на высоты 2Н0, на этой высоте сначала должны последовательно наблюдаться области 30 АВТ, 35ёВг и ШШ.

Исходя из этого, можно считать ячейки, у которых Ъаш<55&ВЪ, а областьЗО достигает высоты 2Н0 потенциально-градоопасными. При этом степень их градоопасности будет возрастать по мере появления на уровне 2Н0 областей, ограниченных контуром, приближающимся к 45 сШг.

Ячейки, у которых 2тах<55<1Вг, а область 45с1В2 достигает высоты 2Н0, можно считать градоопасными.

Величина ЗОЛВг взята в качестве исходной ввиду того, что с помощью прямых измерений выделять ячейки на фоне обширных полей с меньшим значением отражаемости практически не удаётся.

Проверка предложенной методики была проведена на экспериментальной базе 1149 ячеек, которые согласно РД, являлись объектами воздействия 2-4 категории. Ячейки были зафиксированы РЛС МРЛ-5 в 10: см диапазоне в разных регионах Северного Кавказа. Для каждой ячейки были определены значения радиолокационной отражаемости (гшах), высота области ограниченная изолинией А5<№>Ъ (Н45), значение высоты изотермы 0°С (Н°) и вид выпадавших осадков.

Результаты проверки представлены в таблице 6.

Таблица 6. Процентное распределение конвективных ячеек в соответствии с параметрами Н45 и 2Но.

Параметры Н45>2Н0 Н45<2Н0

Граде ущербом Град без ущерба Без града Всего Град с ущербом Град без ущерба Без града Всего

Количество ячеек 88 175 77 340 0 64 745 809

Проценты 100% 73% 9% 30% 0% 27% 91% 70%

Из таблицы видно, что в группу со значением Н45>2Но попадает 100% ячеек, дававших град с ущербом, 73% ячеек, давших твердые осадки преимущественно в виде редкого, мелкого (до 1 см) града без ущерба и 9% ячеек, не давших твердых осадков

В группу со значением Н45<2Но попадает подавляющее большинство (91%) ячеек, не давших твердых осадков, (27%) ячеек, давших твердые осадки преимущественно в виде крупы и, что самое главное, не попадает ни одной ячейки, давший град с ущербом.

Таким образом, используя параметры 2шах, Н30, Н45, Н0, можно уверенно осуществлять распознавание градовых и градоопасных облаков, проводить оценку степени их градоопасности согласно таблице 7.

Категория ОВ Критерии градоопасности Степень градоопасности при высоте старшего контура (Иск)

<1.5 Но | >2Но

I зо <гт<45 аъъ Н30>2Но 0.1-0.2 0.3-0.4

II 2„ > 45 двг 0.3-0.4 0.6-0.8

III гт > 55 йШ Н45>2Но 0.9-1.0

IV гп > 65 сшг

Таблица 7. Критерии распознавания ОВ различных категорий. Обозначения:

Тт - максимальная отражаемость ячейки на длине волны X = 10 см; Н30 и Н45 - высота верхней границы изоконтура с 2ю=30 и 45с1Вг над уровнем моря;

НСк - высота верхней границы старшего контура радиоэха ячейки над уровнем моря;

Классификация радиоэхо кучево-дождевых облаков.

Для решения прикладных задач разработана новая Классификация радиоэхо кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности (см. рис.5).

Радиоэха градовых и градоопасных облаков представлены на схеме Классификации в виде вертикальных разрезов. На схеме выделены 4 группы, в которых ячейки сформированы по возрастанию (сверху вниз) степени их градоопасности по 4 категориям. Каждой ячейке присвоен определенный разряд. Показаны типичные для разряда структуры радиоэхо, условная степень градоопасности и вид выпадающих осадков.

Первую и вторую категории (семейство градоопасных) представляют ячейки девяти разрядов. Они сгруппированы в 2 вертикальные группы.

В левую вертикаль вошли четные ячейки 2,4,6,8 разрядов, у которых старший контур радиолокационной отражаемости не превышает 1.5Но. Степень их градоопасности сравнительно невелика (условно 0.1-0.4).

В правую вертикаль вошли нечетные ячейки 1,3,5,7,9 разрядов, у которых старший контур радиолокационной отражаемости превышает 2Но. Степень их градоопасности достаточно велика (условно 0.2 - 0.8). !

Если старший контур ячейки превышает 1.5Но, но не превышает 2Но (находится между ними), то на уровне 1.5Н0 оценивается площадь, ограниченная изолинией 35 с1Вг (535) и при:

Бз5 < 25 км2 ячейка относится к соответствующему четному разряду левой вертикали;

Б35 >25 км2 ячейка относится к соответствующему нечетному разряду правой вертикали.

Третью и четвертую категории (семейство градовых) представляют ячейки пяти разрядов. Сюда вошли ячейки, достигшие градовых разрядов с 10 по 14.

Порядок применения классификации.

Оценка градоопасности текущих обзоров должно проводиться на высоте 2Но. При этом, если синий цвет (изоконтур 30 <1Вг) на 2Но отсутствует, то можно считать, что на момент обзора ситуация не градоопасная.

Обнаружение на уровне 2Но синего цвета (изоконтур 30 (1В2) обозначает появление ОВ, который при нахождении в зоне обстрела, должен быть засеян по определенной схеме и в режиме контроля динамики развития ячейки, включая определение стадии (рост, диссипация), в которой находится ячейка, путем просмотра предыдущих обзоров.

Для рационального использования воздушного пространства желательно привести в готовность противоградовые подразделения (в том числе получить разрешения органов авиации на запуск ПГИ) в случае обнаружения изоконтура 30 ¿Вг на уровне 2Но над ЗТ или изоконтура 35 ¿ВЪ над ПТ,*при условии, что эти контуры присутствуют и на последующих 2-3 обзорах.

В случае отсутствия на последних 2-3 обзорах упомянутых контуров желательно отказаться от использования воздушного пространства.

Категорирование ОВ, проводится для определения схемы засева. Для этого через ОВ делается характерный вертикальный разрез. Направление разреза задается двумя точками (2шах и вершина изоконтура 30 или 45 <Шг). Вертикальный разрез радиоэха при этом отображается на фоне 3-х горизонтальных линий (Но, 1.5Но, 2Но).

Отсутствие в вертикальном разрезе красного цвета (изоконтур 55 dBZ), позволяет считать анализируемую ячейку, как ОВ 1-й категории при условии, что значение последнего (старшего) контура не превышает 45 <1В2. Для ячейки 2-й категории необходимо чтобы значение старшего контура было больше 45 ¿ВХ, но не превышало 55

Обнаружение на вертикальном разрезе красного цвета (изоконтур 55 АВЪ), позволяет считать анализируемый объект, как ОВ 3-й категории.

Обнаружение на вертикальном разрезе черного цвета (изоконтур 65 <1Вг), позволяет считать анализируемую ячейку, как объект ОВ 4-й категории.

Для определения режима засева ячеек 1 и 2-й категорий устанавливается принадлежность ячейки к одной из 2-х вертикалей. При этом, если высота старшего контура при вертикальном сечении:

- находится ниже средней линии (1.5Но), то ячейка относится к левой вертикали (ячейки 2,4,6,8 разрядов);

- достигает верхней линии (2Но), то ячейка относится к правой вертикали (ячейки 1,3,5,7,9 разрядов);

Для определения режима засева ячеек 3 и 4-й категорий устанавливается разряд ячейки согласно соответствующим параметрам, указанным в Классификации (рис.5).

АВ на градоопасные ячейки 1 и 2 категорий.

В целом, все представленные на схеме градоопасные или градовые ячейки являются объектами активного воздействия и должны подвергаться засеву. При этом, потенциально градоопасные ячейки 1 и 2 категорий, вошедшие в левую вертикаль (четные разряды 2,4,6,8), засеваются в режиме экономичного засева, предусматривающего покрытие трассами реагента зоны засева (с коэффициентом засева К«30-50%) после того, как в последующих двух-трех обзорах, будет определена тенденция роста критериальных параметров. Если ячейка 2, 4 и 6, разряда, развиваясь как отдельное самостоятельное образование, устойчиво сохраняет структуру и параметры, соответствующие данному разряду, то её засев необязателен.

Рекомендуемый интервал между засевами равен 6-8 минут. Засев прекращается после того, как в стадии диссипации верхняя граница изоконтура 30 (1В2 опустится ниже 2Но (т.е. ячейка станет неградоопасной).

Допускается наиболее мощные ячейки 8 разряда засевать в режиме нормального засева.

ОВ, относящиеся к правой вертикали (нечетные разряды 1,3,5,7,9), засеваются в режиме нормального засева, предусматривающего покрытие трассами реагента зоны засева (с коэффициентом засева К«50-80%) сразу после их формирования в зоне обстрела. Интервал между засевами 6-8 минут.

Засев прекращается после перехода ячейки во 2, 4, 6 разряд или после того, как в стадии диссипации верхняя граница изоконтура 30 АВЪ опустится ниже 2Но (т.е. ячейка станет неградоопасной).

АВ на ОВ 3 и 4 категорий.

Ячейки 10 и 11 разряда засеваются в режиме экономичного засева, предусматривающего покрытие трассами реагента зоны засева с коэффициентом засева К«30-50% сразу после их формирования в зоне обстрела. Интервал между засевами 6-8 минут. Засев прекращается после того, как в стадии диссипации изоконтур 55 с1В2 исчезнет (т.е. ячейка станет не градовой).

Ячейки 12 разряда засеваются в режиме нормального засева, предусматривающего покрытие трассами реагента зоны засева с коэффициентом засева К~50-80% сразу после их формирования в зоне обстрела. Интервал между засевами 6-8 минут. Засев прекращается после того, как в стадии диссипации верхняя граница изоконтура 55 опустится ниже Н0, или изоконтур 55 dBZ исчезнет (т.е. ячейка станет неградовой).

Ячейки 13 и 14 разряда засеваются в режиме тотального засева, предусматривающего покрытие дублированными трассами реагента всей площадки с коэффициентом засева К«80-100% сразу после их формирования в зоне обстрела. Интервал между засевами должен быть не более 3-4 минут. Засев прекращается после того, как в стадии диссипации верхняя граница изоконтура 55 dBZ не будет превышать Н0 или изоконтур 55 исчезнет (т.е. ячейка станет неградовой).

В тех случаях, когда над ЗТ за короткий промежуток времени образовывается большое количество быстро развивающихся градоопасных ячеек, допускается применение упрощенной схемы оценки градоопасности или использование схемы засева, соответствующие ОВ 1,2,3,4 категорий согласно действующего РД. В этом случае засеваются все ячейки, у которых 2тах<55 ёВ2, а область 30 (1В2 достигает высоты 2Но. При этом используются схемы засева соответствующие ОВ 1, 2 категории и режим нормального засева, предусматривающего покрытие трассами реагента зоны засева с коэффициентом засева к»50-80%. Засев осуществляется сразу после формирования ячеек в зоне обстрела. Интервал между засевами 6-8 минут. Принято считать, что эффект от АВ проявляется через 6-8 мин. после:

- однократного засева ОВ 1 категории;

- двукратного засева ОВ 2 категории;

- трехкратного засева ОВ 3 категории;

- четырехкратного засева ОВ 4 категории. При этом за эффект воздействия принимается:

- в случае засева градоопасных облаков 1-2 категории - отсутствие града на земле или локальное выпадение крупы, мелкого града.

- в случае засева градовых облаков 3 категории - прекращение выпадения града или значительное уменьшение его размера и площади выпадения.

- в случае засева сверхмощных градовых облаков 4 категории - прекращение выпадения града или уменьшение размера града, ширины зоны продолжающих выпадать градовых осадков.

Переход облака из стадии непрерывного генерирования града к дискретному, сокращения времени нахождения облака в квазистационарном состоянии (стадия максимального развития), когда в естественных условиях облако дает непрерывную полосу града максимальной интенсивности по всей траектории перемещения.

При нынешнем состоянии науки и средств АВ избежать ущерба при воздействии на сверхмощные облака, как правило, не удаётся. При том огромном энергетическом запасе атмосферы, который реализуется при развитии мощных конвективных облаков, полностью подавить градовый процесс применяемыми методами и средствами активного воздействия невозможно.

При проведении анализа и интерпретации радиолокационной информации, следует иметь в виду, что:

ячейки 1-2 категории, вошедшие в левую вертикаль Классификации, довольно активно переходят из разряда в разряд внутри вертикали, но лишь единицы достигают нечетных разрядов правой вертикали. Как правило, их жизненный цикл, продолжительностью около 30 минут, заканчивается внутри группы. Переход от разряда к разряду осуществляется преимущественно за 3-6 минут. Ячейки такого типа в 80% случаев и встречаются в процессе наблюдений.

Ячейки 1-2 категории, вошедшие в правую вертикаль Классификации, образует основной путь поэтапного развития наиболее активных ячеек. Из этой вертикали, переходя от разряда к разряду, формируется большинство градовых ячеек. При этом, чаще всего отмечается только факт выпадения твердых осадков и гораздо реже это приводит к градобитию. Только из половины градовых ячеек выпадающий град переходит в градобития (12, 13, 14 разряды). Из другой половины ячеек (10, 11 разряды) град выпадает редкий, мелкий, как правило, локально и ущерб при этом маловероятен. Время перехода ячеек из предградовой в градовую стадию составляет 6-8 мин. Однако, при взаимодействии нескольких ячеек, располагающихся в едином поле радиоэха или вне поля в непосредственной близости друг от друга, могут возникнуть условия для быстрого (2-3 мин) формирования новой ячейки и роста в ней или в одной из существующих ячеек крупного града. При этом, за 2-3 минуты такие ячейки ускоренно проходят путь от 2 до 11 разряда, что при цикличности обзора 3 и более минут фиксируется АСУ как взрывной рост ячейки.

Чем больше высота верхней границы изоконтура 45 с1В2 превышает значение 2Но, тем выше концентрация градин, достигающих земли.

При значениях Но около 2.5 км, если Н45>ЗНо, то может выпадать практически один град без дождя. В основном такое бывает весной или осеню.

В случае выпадения интенсивного града размером около 2 см верхняя граница области, ограниченная изоконтуром 55 сйг, должна располагаться на уровне 2Но и выше. Из ячеек, верхняя граница которых достигла уровня 2Но

(7, 8, 9 разряды), на земле практически всегда фиксируется выпадение твердых осадков размером, не превышающим диаметр дождевой капли.

В целом, оценка градоопасности ячеек ориентирована на развивающиеся ячейки. При диссипации градовой ячейки, после прекращения выпадения града, ячейка претерпевает несколько разрядных превращений, которые по форме мало отличаются от переходов от разряда к разряду развивающейся ячейки, но в этом случае номер разряда характеризует структуру радиоэха, но не градоопасность ячейки.

При проведении архивации проведенных работ по АВ номера разрядов, присваемые каждому фрагменту ячейки, определяются в основном при анализе радиолокационных материалов или при их описании. Делается это путем сопоставления вертикального разреза радиоэха конкретной ячейки с 14 вертикальными сечениями, представленными на схеме Классификации.

За время существования ячейки, в зависимости от стадии её развития, ей присваиваются разные разряды, но в целом ячейка должна быть классифицирована в соответствии с максимально достигнутым разрядом, который зафиксирован за весь интервал времени наблюдения за ней. При этом разряд объектов, не достигших градовой стадии, определяется по значениям радиолокационной отражаемости и высоты старшего контура, а разряд объектов, достигших градовой стадии, определяется по значениям отражаемости старшего контура.

Присвоенные ячейке номера разрядов позволяют отобразить жизненный цикл ячейки в виде ряда цифр, отображающие изменение структуры ячейки с момента ее обнаружения и могут быть использованы при автоматической обработке радиолокационных материалов.

Пример: 13 фрагментов радиоэха градовой ячейки, представленных на рис. 11, можно представить в виде ряда цифр 5,9,10,12,12,11,9,8/9,8,8,6,6,6 позволяющий пользуясь Классификацией (рис.5), достаточно полно восстановить временной цикл любой стадии этой ячейки.

Н2.5 Разряд? -

Н 25 Разряд 9 •Л Л !

:нг5

Разряд 10;

11 Л,

Ус?

Н25

№4 : Разряд 12

Н 2.5 №5 в ю !

Разряд 12

/. V

1* >1

Ш ¡Разряд 11;

■нг5 №7 ю !

; Разряд 9 ;

- / 3 '

Н 2.5 №8 Ю !

V V;

Н 25 №9

Н 2.5 , №11

Разряд 8

Разряд б :

с\ I

— и:

Н 2.5

№13 ! Разряд« !

ГСГ

1-9(2) □ >4 3

1-1 , —

■ >во >•5

>4 9 >7 0

Н 25 , №1 0 ; Разряд 8 : Л «

: ■{]>

Н 25 № в ю

2 Разряд б

' М >

бертмвалыаме сечетя выполнен* с ттееаалом Э кми. В верхнем углу каждою фралаеита представлена высота нулевом мотесииы а км.

| Сппошима красима пушоит

Но»2На I

Рис. 11. Фрагменты радиоэха градового облака.

Оценка эффективности одноволнового метода классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности.

Для оценки эффективности метода вернемся к базе из 1222 ячеек. С момента обнаружения этих ячеек, относящихся согласно РД (табл.4) к объектам 2-й категории и до момента, когда они становились не градоопасными (Н35<Но+2.5), для каждого фрагмента выделенной ячейки определялся номер разряда согласно Классификации и наивысший изоконтур радиолокационной отражаемости (30, 35, 40, 45 ¿В2), достигший уровня 2Но. Это позволило, проследив от фрагмента к фрагменту жизненный цикл каждой ячейки, определить наивысшую степень их развития, а анализ базы данных позволил создать таблицу 8.

Н35>НО+2.5 Н30>2Н0 Н35>2НО Н4о>2НО Н45>2Н0 Н50>2Но

1222 (100%) 812 (66%) 700 (57%) 413 (34%) 215 (18%) 35 (3%)

7% 11% 13% 22% 41% >100%

Таблица № 8 Распределение градоопасных ячеек в зависимости от изоконтуров, достигавших уровня 2Но.

Из таблицы видно, что всего 3% от их общего количества переходят в градоопасную фазу. Аналогично, из 1222 градоопасных ячеек только 89 достигали градовой стадии согласно таблице №3.

Как видно, из 1222 градоопасных ячеек 410 (34%) за время своего существования не достигли ни одного из обозначенных в таблице уровня и следовательно, согласно Классификации (табл.5) ячейки этой части не были градоопасными. Вместе с тем, 812 (66%) ячеек достигали уровня Нзо>2Но и согласно Классификации стали градоопасными. В процессе дальнейшего развития 700 из них достигли уровня Н35>2Но. Из 700 ячеек следующего уровня Н4о>2Но достигли 413 и т.д.

Таким образом, из таблицы следует:

1.Если оценку градоопасности проводить, используя параметр 2Но, то количество ОВ, подлежащих обработке, автоматически сократится приблизительно на 30%.

2.Если начинать воздействие после достижения ячейкой уровня Нз5>2Н0, то количество ОВ подлежащих обработке, сократится приблизительно на 40%, а при Н4о>2Но количество ОВ, подлежащих обработке, сократится приблизительно на 60%;

Если начинать активное воздействие на ячейки в стадии формирования зоны зарождения града (Нд5>2Но), то количество градоопасных объектов можно сократить и на 80%.

По-видимому, оптимальным можно считать вариант, когда воздействие будет начато после достижения ячейкой уровня Н4о>2Но. За время перехода ячейки от уровня Нзо>2Но к уровню Н4о>2Но (2-3 обзора) будет определена тенденция развития ячейки. При этом многие ячейки, учитывая степень их градоопасности, останутся под дальнейшим наблюдением, какая то часть перестанет быть градоопасной и только какую-то небольшую их часть потребуется засеять. То есть, сокращение количества ОВ подлежащих обработке, в данном варианте будет происходить по нескольким направлениям и можно ожидать, что оно будет более 60%. Но даже при этом сокращении из оставшихся ОВ только 1 из 5 ячеек, подлежащих засеву, имеет шансы превратится в градовую. В результате такого сокращения ОВ значительно сократится и расход ПГИ

Как показывает опыт противоградовой защиты увеличение отрезка времени между обнаружением градоопасной ячейки и началом её засева мало влияет на эффективность засева, так как в большинстве случаев, несмотря на засев, градоопасные ячейки все же переходят в градовые. Поэтому сдвиг начала воздействия на 5-10 минут можно считать никак не отразится на эффективности.

Уровень, с которого надо будет начинать воздействие на градоопасные ячейки, может меняться в зависимости от времени года, характера градового процесса, вида посевов и стадии их вегетативного развития, а также наличия достаточного количества ПГИ и т.п.

В целом метод позволяет^ определив принадлежность радиоэха к одному из 14 разрядов, с высокой вероятностью судить о виде осадков, выпадающих из облака на землю и о степени градоопасности ячейки на момент наблюдения, а

выбрав один из уровней начала воздействия, сократить количество обрабатываемых объектов 1-2 категории на 30-80%.

Сравнение критериальных параметров действующего РД и предлагаемой Классификации.

Согласно действующего РД (табл.2), при определенных значениях максимальной отражаемости ОВ для определения категории ячейки достаточно, чтобы выполнялись равенства:

Н35=(Но+2,5), км для ОВ II категории; (16)

Н45=(Но+3), км для ОВ III категории; (17)

Н45=(Но+4),км для ОВ IV категории. (18)

Здесь, Нз5 и Н45 соответствующие верхние границы изоконтуров 35 и 45 <1В2. Согласно Классификации (таб. 7) для ОВ II, III и IV категорий при тех же значениях максимальной отражаемости достаточно выполнения равенства

: Н35=Н45=2Но. (19)

Воздействия на Северном Кавказе отмечались при значениях Но от 2 до 5 км. При этом наибольшее количество дней с воздействием (табл. 9) приходится на Но=3.5 и 4.0 км.

Таблица 9. Зависимость количества дней с воздействием от высоты нулевой изотермы.

Но (км)

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

2 7 22 43 72 16 1

1% 4% 13% 26% 45% 10% 1%

Таблица 10. Сравнение критериальных параметров при разных значениях высоты нулевой изотермы.

Но (км)

Категория 2 2.5 3 3.5 4 4.5

РД Клас РД Клас РД Клас РД Клас РД Клас РД Клас

II 4.5 > 4 5= 5 5.5< 6 6< 7 6.5« 8 7« 9

III 5> 4 5.5> 5 6= 6 6.5< 7 7< 8 7.5« 9

IV 6» 4 6.5» 5 7> 6 7.5> 7 8= 8 8.5< 9

В таблице 10 приведены результаты сравнения критериальных параметров РД и Классификации, рассчитанных соответственно по формулам (1), (2), (3) для РД и по (4) для Классификации при разных значениях Но.

Из анализа таблицы следует, что:

Совпадение критериев по РД и Классификации (зеленый цвет) отмечено лишь в 3-х случаях из 18 (менее 17%). В 7 случаях (желтый цвет), при низких значениях Но, параметры РД были выше, что может приводить к занижению категории и сокращению ОВ (при значениях Но=2, 2.5 км вообще можно не определить ни II, ни III, ни IV категории). В 8 случаях (красный цвет), при высоких значениях Но, параметры РД были ниже, что наряду с завышением категории, может приводить к увеличению количеств ОВ II категории, а в сочетании с завышенным потенциалом АСУ, к значительному и даже очень значительному их увеличению, так как количество ОВ, которое приходится обрабатывать при сравнительно высоких Но намного больше, чем при низких значениях Но.

Завышение подтверждается данными, представленными в отчетах ВС.

Используя предлагаемую классификацию ОВ, в работе были разработаны рекомендации по следующим важным для АВ вопросам:

- контроль в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы.

- оценка вида выпадающих осадков и размера градин с использованием МРЛ-5 (10 см. канал).

- режим засева ОВ.

- эффект воздействия.

- оптимальное использование воздушного пространства в период проведения воздействия.

- архивация получаемых радиолокационных материалов.

Разработана технология оптимального использования метода в

оперативной работе, проведена частичная автоматизация технологического процесса, подготовлена инструкция пользователя.

Основные результаты работы.

1 .На основе обобщения материалов опытно - производственных работ по АВ на градовые облака, результатов теоретических и экспериментальных исследований радиолокационных характеристик конвективных облаков, разработана методика восстановления радиолокационного сигнала на дальностях, превышающих 100 км. Сущность подхода заключается в том, что определяются среднестатистические поправки, которые используются для корректировки значений радиолокационной отражаемости и высоты радиоэхо конвективных облаков для диапазонов дальностей в интервале от 100 до 200 км с шагом 10 км.

за счет исключения срывов воздействия. В процессе выполнения данной работы были успешно проведены несколько активных воздействий над ЗТ КЧР (удаление 150-200 км).

3.Разработана методика корректировки потенциала АСУ в оперативном режиме наблюдения за метеорологическими объектами по структуре радиоэха кучево-дождевых облаков и достоверной информации о фактических осадках, выпадающих из них.

4.0беспечена возможность автоматического учета полученных поправок при дальнейшей эксплуатации автоматизированных МРЛ.

5.Возможность создания корректных баз радиолокационных данных, являющихся основой для любой научной работы.

6.Многолетние исследования материалов активных воздействий на градовые процессы позволили разработать усовершенствованные экономичные радиолокационные критерии идентификации ОВ. Они основаны на анализе радиолокационной структуры вертикального разреза конвективной ячейки и включают в себя параметры 2та\ и 2Но. Контрольными параметрами являются значения соотношений высоты контуров отражаемости 30-45 dBZ с удвоенной высотой нулевой изотермы в атмосфере.

7.Применение разработанных критериев в практике активных воздействий на град позволяет сократить количество ОВ на 20-80%. Оптимальным может считаться сокращение на 50-60%, что позволит значительно сократить также и расход ПГИ.

8.Создание одноволнового метода «Классификация радиоэха кучево-дождевых облаков по степени градоопасности», на основе которого разработаны рекомендации по следующим важным вопросам:

> контроль и корректировка в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы;

> оценка вида выпадающих осадков и размера градин с использованием одноканального МРЛ;

> режим засева ОВ;

> эффект воздействия;

> оптимальное использование воздушного пространства при проведении противоградовых работ;

> архивация получаемых радиолокационных материалов.

9.Разработана технология оптимального использования метода в оперативной работе, проведена частичная автоматизация технологического процесса, подготовлена инструкция пользователя.

Ю.Результаты исследований применены при разработке рекомендаций по усовершенствованию методики активных воздействий на градовые облака.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Чочаев Х.Х. Аджиев А.Х. Определение точности регистрации параметров конвективных облаков МРЛ-5 на расстояниях, превышающих 100 км//Обозрение прикладной и промышленной математики,-ТЛ5.Вып.6,2008.- С.1142.

2. Чочаев Х.Х., Аджиев А.Х., Аджиева A.A., Шаповалов В.А. Методика коррекции сигналов метеообъектов на дальностях свыше 100 км при радиолокационных наблюдениях// Доклады Адыгской (Черкесской) Международной академии наук,- г.Нальчик: 2008.-Т.10, №2.-С.86-93.

3. Чочаев Х.Х.., Некоторые результаты численных экспериментов по переносу реагента при работе наземных аэрозольных генераторов//Тезисы научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельскохозяйственных культур от градобитий,- г.Нальчик, 2007.- С. 5051. (соавторы Б.П.Колосков, В.П.Корнеев, Б.Н.Сергеев, Н.Г.Штульман, М.Н.Бейтуганов).

4. Чочаев Х.Х., Радиолокационные характеристики конвективных облаков: проблемы измерений и анализа. - г.Нальчик: Издательство Полиграфсервис и Т, 2009,- 99 с.

5. Чочаев Х.Х. Состояние, перспективы и проблемы при проведении противоградовых работ в КБР, КЧР и РСО-Алания. Тезисы научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельскохозяйственных культур от градобитий.- г.Нальчик, 2007 стр. 20-22 (соавторы В.А.Пометельников, Н.Г.Штульман, М.Н.Бейтуганов).

Для заметок

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Чочаев, Хизир Хусейнович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА

КОНВЕКТИВНЫМИ ОБЛАКАМИ

1.1. Принципы радиолокационного метода обнаружения метеообъектов

1.2. Уравнение радиолокации

1.3. Радиолокационная отражаемость метеообъектов

1.4. Сведения о распространении и ослаблении радиоволн

1.5. Радиолокационная структура градовых облаков

1.6. Зарубежные автоматизированные системы обработки радиолокационной информации

1.7. Отечественные автоматизированные системы обработки радиолокационной информации

1.8. Сравнительный анализ методов идентификации объектов воздействия

1.9. Выводы к главе

Глава 2. ВОПРОСЫ КАЛИБРОВКИ ПОКАЗАНИЙ МРЛ

2.1. Калибровка МРЛ-5 по осадкам

2.2. Методика и результаты определения поправок к радиолокационному сигналу от метеорологических целей, расположенных на расстояниях свыше 100 км

2.3. Теоретические аспекты ослабления сигнала в дальней зоне действия МРЛ.

2.4 Выводы к главе

Глава 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ГРАДООПАСНОСТИ

КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

3.1. Критерии идентификации объектов воздействия с использованием параметра 2Н

3.2. Одноволновый метод классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности

3.3. Классификации радиоэха кучево-дождевых облаков

3.4. Обеспечение метода

3.5. Порядок применения классификации

3.6. Рекомендации по засеву

3.7. Эффект воздействия

3.8. Анализ и интерпретация радиолокационных материалов

3.9. Архивация радиолокационных материалов

ЗЛО. Рекомендации по порядку использования воздушного пространства

3.11. Оценка эффективности одноволнового метода классификации радиоэха

3.12. Сравнение критериальных параметров действующего РД и предлагаемой методики классификации радиоэха.

3.13. Выводы к главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методы корректировки и анализа радиолокационных параметров конвективных облаков в задачах активного воздействия на градовые процессы"

В Российской Федерации и в ряде зарубежных стран успешно применяется ракетный метод активного воздействия на градоопасные и градовые облака с целью предотвращения или прерывания града, разработанный в Высокогорном геофизическом институте в 60-70 годы прошлого столетия и развиваемый в настоящее время [1,2,18,34,43,47]. Наряду с общим успехом противоградовых работ, в этой сфере до сих пор существуют проблемные вопросы, решение которых может существенно повысить эффективность мероприятий по борьбе с градом. К ним относятся: вопросы калибровки показаний метеорологических радиолокационных станций, вопросы идентификации объектов активного воздействия по их радиолокационным параметрам, вопросы дозировки реагента при воздействии и другие.

Современное состояние физики облаков характеризуется тем, что до настоящего времени нет полной теории образования и развития градовых облаков в естественных условиях и при активном воздействии. Более того, многие процессы в градовых облаках нельзя считать понятыми даже на качественном уровне [48,52,59,76]. Такое состояние теории градовых процессов не обеспечивает строгости научного обоснования физических основ активного воздействия на них. Можно ожидать, что ряд вопросов теоретического характера из этой области будет решен в ближайшем будущем на основе математического моделирования с применением физически адекватных численных моделей [6-9,20,62,68,70,73].

Наряду с теоретическим подходом, некоторые из проблем, которые связаны с активными воздействиями на градовые облака, могут быть решены и экспериментально-статистическими методами. Это относится к вопросам калибровки показаний МРЛ и к определению объектов воздействия. В частности, актуальной является задача оперативной корректировки радиолокационной отражаемости МРЛ с учетом структуры радиоэха и фактических осадков, для того, чтобы активное воздействие (далее АВ) могло быть выполнено максимально эффективно.

Также, важной является задача определения систематических поправок при измерениях радиолокационной отражаемости на расстояниях, превышающих 100 км от MPJT. В перестроечные времена в СевероКавказской и Ставропольской военизированных службах сложилась ситуация, когда соседние радиолокаторы стали располагаться на расстояниях более чем 150 км. При такой ситуации выход из строя какой-либо радиолокационной станции приводил к тому, что территория в сотни тысяч гектаров оставалась незащищенной от градобития. Для подстраховки удаленных противоградовых подразделений и контроля их работы возникла необходимость в определении радиолокационных параметров облаков во всем диапазоне дальностей зоны действия MPJL

Одним из ключевых вопросов противоградовой защиты является корректное определение объектов воздействия. Град выпадает из кучево-дождевых облаков (СЬ), но далеко не каждое СЬ облако генерирует град, выпадение которого способно нанести тот или. иной ущерб. С другой стороны, чем больше облаков подвергаются воздействию и чем больше кратность засева, тем больше расходуется противоградовых изделий (ПГИ) и тем дороже становится защита.

В связи с этим, актуальной задачей также является разработка более точных критериев.

Цель работы.

Целыо диссертационной работы является: усовершенствование методов определения радиолокационных характеристик конвективных облаков в зоне обзора; разработка статистически обеспеченных критериев оценки градоопасности конвективных облаков на основе их радиолокационных параметров и выработка более экономных методов расхода ПГИ.

Комплекс решаемых в работе задач включает в себя:

- разработку методики калибровки радиолокационного сигнала по данным о структуре радиоэха и фактически выпадающих осадках;

- обработку материалов радиолокационных наблюдений градовых облаков с двух пунктов, разработку методики восстановления радиолокационного сигнала на удалениях от РЛС свыше 100 километров;

- разработку одноволпового метода классификации кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности;

- апробацию разработанных критериев на практике.

Научная новизна.

2. Впервые разработана методика восстановления радиолокационного сигнала на дальностях, превышающих 100 км от МРЛ.

3. На основе анализа материалов радиолокационных наблюдений, проведенных в Северо-Кавказской ВС с 2001 по 2008 годы, впервые определены среднестатистические значения поправок на дальность для МРЛ-5 центрального командно-диспетчерского пункта. Получено уравнение регрессии, выражающее зависимость величины поправки от расстояния.

5. Осуществлена многолетняя экспериментальная проверка разработанных критериев идентификации ОВ.

Практическая значимость результатов.

1. Разработанный метод классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степени градоопасности позволяет сократить количество ОВ и добиться уменьшения себестоимости противоградовых работ.

На основе метода разработаны рекомендации по:

- контролю и корректировке в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы управления (далее АСУ) РЛС;

- режиму засева объектов воздействия;

- оценке эффекта активного воздействия;

- оценке с использованием 10-ти сантиметрового канала МРЛ-5 вида выпадающих осадков и размера градин ;

-оптимальному использованию воздушного пространства при проведении противоградовых работ;

- архивации получаемых радиолокационных материалов.

2. Оперативная корректировка радиолокационной отражаемости МРЛ с учетом структуры радиоэха ячейки и выпадающих из нее осадков позволяет с высокой вероятностью идентифицировать категорию ОВ в зоне обзора, тип и интенсивность выпадающих осадков. Это позволяет корректно проводить операции по активному воздействию на градовые облака.

3. Методика и результаты определения поправок на дальностях, превышающих 100 км, позволяют определять реальную радиолокационную отражаемость во всем диапазоне действия МРЛ. Полученные значения поправок использованы в программном обеспечении обработки радиолокационной информации в ГУ Северо-Кавказская ВС. В результате возросла надежность противоградовых работ в Карачаево-Черкесской республике за счет исключения срывов воздействия. Аналогичные поправки могут быть определены для других МРЛ.

Основные положения, выносимые на защиту.

2.Методика восстановления радиолокационного сигнала на дальностях, превышающих 100 км.

4.0дноволновый метод классификации конвективных облаков по степени их градоопасности и усовершенствованные критерии идентификации ОВ.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность результатов по одноволновому методу классификации градоопасности кучево-дождевых облаков обеспечена большой статистической выборкой данных, многолетней экспериментальной проверкой предлагаемых критериев.

Личный вклад автора.

Экспериментальный материал собран специалистами СевероКавказской ВС при непосредственном участии автора, в ходе многолетней оперативной работы. Все основные результаты работы также получены автором, в частности:

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельскохозяйственных культур от градобитий, г.Нальчик, 10-12 октября 2007 г; на IX Всероссийском Симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенняя сессия), г.Кисловодск, май 2008 г; 5-10 октября 2008 г; па юбилейной конференции, посвященной 50-летию отдела физики облаков ГУ «Главная геофизическая обсерватория», г.Санкт-Петербург, ноябрь 2008 г; на итоговых сессиях Ученого совета и Общегеофизических семинарах ГУ «Высокогорный геофизический институт».

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ общим объемом 5,65 печатных листов, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК МОН РФ, объёмом 0,8 печатных листа.

Краткое содержание работы

В первой главе представлены результаты анализа современного состояния проблемы радиолокационных измерений метеорологических объектов, калибровки МРЛ, одноволновых методов идентификации объектов активного воздействия (градовых и градоопасных облаков) по их радиолокационным параметрам при дистанционных наблюдениях.

Отмечаются вопросы, которые изучены недостаточно, или решение которых не отвечает практике АВ на град. Рассмотрены факторы, влияющие на уменьшение максимальных значений радиолокационной отражаемости метеообъектов па больших расстояниях. В частности, ослабление сигнала, связанное с шириной диаграммы антенны.

Во второй главе приведены результаты анализа экспериментального материала наблюдений за грозо-градовыми процессами в Северо-Кавказской военизированной службе, методика определения систематических поправок к величинам радиолокационной отражаемости на расстояниях, превышающих 100 км, а также методика оперативной корректировки радиолокационной отражаемости с учетом структуры радиоэха ячейки и выпадающих из нее осадков.

В главе 3 представлены усовершенствованные радиолокационные критерии идентификации объектов воздействия. Новые экономичные критерии основаны на анализе структуры вертикального разреза радиолокационной отражаемости, они также включают в себя параметр 2Н0, который является физической характеристикой стратификации атмосферы.

Предложен метод классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности с использованием 10 см. канала МРЛ-5, что в результате позволит сократить количество объектов воздействия за счет использования более достоверных физических критериев. На основе метода разработаны рекомендации специалистам, занимающимся противоградовой проблемой по следующим важным вопросам:

- контроля и корректировки в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы управления МРЛ;

- оценки вида выпадающих осадков и размера градин с использованием одного канала МРЛ-5;

- режима засева ОВ;

-эффекта от активного воздействия;

-оптимального использования воздушного пространства при проведении противоградовых работ;

-архивации полученных радиолокационных материалов.

В дальнейшем, исследования по этой тематике желательно вести по линии разработки методики калибровки АСУ по значениям радиолокационной отражаемости полученных от ОВ во время работы нескольких РЛС.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Чочаев, Хизир Хусейнович

Результаты работы в виде единого комплекса могут быть использованы при проведении противоградовых работ. При этом выбор меры, в которой может быть применен одноволновый метод классификации в том или ином регионе будет зависеть от квалификации персонала, состояния МРЛ, состояния финансирования и т.п.

Используя предлагаемую классификацию определения категорий ОВ, в работе были разработаны рекомендации по следующим важным для практической деятельности вопросам: контроль и коррекция в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы МРЛ;

- оценка вида выпадающих осадков и размера градин;

- режим засева ОВ;

- оценке эффекта воздействия;

- оптимальное использование воздушного пространства;

- архивация радиолокационных материалов.

Разработана технология оптимального использования одноволнового метода классификации радиоэха кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности в оперативной работе, проведена частичная автоматизация технологического процесса и подготовлена инструкция для пользователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. На основе обобщения материалов опытно — производственных работ по АВ на градовые облака, результатов теоретических и экспериментальных исследований радиолокационных характеристик конвективных облаков, разработана методика восстановления радиолокационного сигнала на дальностях, превышающих 100 км. Сущность подхода заключается в том, что определяются среднестатистические поправки, которые используются для корректировки значений радиолокационной отражаемости и высоты радиоэхо конвективных облаков для диапазонов дальностей в интервале от 100 до 200 км с шагом 10 км.

2. Решена актуальная задача по проведению воздействия на грозо-градовые процессы с КДП, удаленного до 200 км от облака. Также обеспечен качественный контроль работы подразделения (ВЧ), находящейся в дальней зоне обзора МРЛ. Как следствие, возросла надежность противоградовых работ за счет исключения срывов воздействия. В процессе выполнения данной работы были успешно проведены несколько активных воздействий над ЗТ КЧР (удаление 150-200 км).

3. Разработана методика корректировки потенциала АСУ в оперативном режиме наблюдения за метеорологическими объектами по структуре радиоэха кучево-дождевых облаков и достоверной информации о фактических осадках, выпадающих из них.

4. Обеспечена возможность автоматического учета полученных поправок при дальнейшей эксплуатации автоматизированных МРЛ.

5. Возможность создания корректных баз радиолокационных данных, являющихся основой для любой научной работы.

6. Многолетние исследования материалов активных воздействий на градовые процессы позволили разработать усовершенствованные экономичные радиолокационные критерии идентификации ОВ. Они основаны на анализе радиолокационной структуры вертикального разреза конвективной ячейки и включают в себя параметры Zmax и 2Н0. Контрольными параметрами являются значения соотношений высоты контуров отражаемости 30-45 с удвоенной высотой нулевой изотермы в атмосфере.

7. Применение разработанных критериев в практике активных воздействий на град позволяет сократить количество ОВ на 20-80%. Оптимальным может считаться сокращение на 50-60%, что позволит значительно сократить также и расход ГТГИ.

8. Создан одноволновый метод «Классификация радиоэха кучево-дождевых облаков по степени их градоопасности». На её основе разработаны рекомендации по следующим важным на практике вопросам:

-контроль и корректировка в оперативном режиме правильности калибровки автоматизированной системы;

- оценка вида выпадающих осадков и размера градин с использованием одноканального МРЛ;

-режим засева ОВ;

-оценка эффекта воздействия;

-оптимальное использование воздушного пространства при проведении противоградовых работ;

-архивация получаемых радиолокационных материалов.

10.Результаты исследований применены при разработке рекомендаций по усовершенствованию методики активных воздействий на градоопасные и градовые облака.

Дальнейшие исследования будут направлены на разработку методики калибровки отражаемости при работе нескольких МРЛ в сетевом режиме.

Автор выражает огромную благодарность всем специалистам ГУ «ВГИ» и военизированных Служб, способствовавшим ему в получении и обработке материалов радиолокационных наблюдений за конвективной облачностью.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Чочаев, Хизир Хусейнович, Нальчик

1. Абшаев М.Т. Активное воздействие на градовые процессы /М.Т. Абшаев Руководящий документ. РД.52.37.596-98. - М: 1998. -32с.

2. Абшаев М.Т. Структура и динамика развития грозоградовых процессов Северного Кавказа// Труды ВГИ, 1982. Вып. 53.

3. Абшаев М.Т., Малкарова A.M. Оценка эффективности предотвращения града. С-Петербург: Гидрометеоиздат, 2006. - 280 с.

4. Аджиев А.Х., Калов Р.Х., Сижажев С.М. Развитие гроз в конвективных облаках // Труды ВГИ, 2001. Вып. 91. С.90-99.

5. Атлас Д. Успехи радарной метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. -195 с.

6. Ашабоков Б.А., Калажоков Х.Х. Численное моделирование градовых облаков. М.: Гидрометеоиздат, 1992. - 135 с.

7. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Шаповалов A.B., Шоранов P.A. Численные исследования образования и роста града при естественном развитии облака и активном воздействии// Метеорология и гидрология, 1994. N1. С.41-48.

8. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Шаповалов A.B., Шоранов P.A. О некоторых результатах численного моделирования активного воздействия на мощные градовые облака// Труды ВГИ, 1996. Вып. 89.-С. 37-47.

9. Ашабоков Б.А., Шаповалов A.B. Численная модель управления формированием микроструктуры градовых облаков// Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1996. Т. 32, № 3.- С. 364-369.

10. Ашабоков Б. А., Федченко Л.М., Шаповалов A.B. Способ предотвращения образования крупных градин в облаках ( изобретение). Патент № 2073419, зарегистрирован 20.02.1997.

11. П.Ашабоков Б.А., Шаповалов A.B. Конвективные облака: численные модели и результаты моделирования в естественных условиях и при активном воздействии. — Нальчик: Издательство КБНЦ РАН, 2008. -254с.

12. Базлова Т.А., Бочарников Н.В, Брылев Г.Б. Метеорологические автоматизированные радиолокационные сети. СПб: Гидрометеоиздат, 2002. - 331с.

13. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. Перевод с английского под ред. М.М. Вейсбейна. — М.: Советское радио, 1976. 392 с.

14. Баттан JI. Дж. Радиолокационная метеорология/Пер. с англ. — JL: Гидрометеоиздат, 1962. 196 с.

15. Бейтуганов М.Н., Белгороков Л.Г. Исследование взаимодействия двух частиц в электрическом поле// Труды ВГИ, 1987. Вып. 69. — С. 8-11.

16. Бекряев В.И. Практикум по физическим основам воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.- 90 с.

17. Берюлев Г.П., Беляев В.П., Данелян Б.Г., Зимин Б.И., Колосков Б.П., Черников A.A. Оценка эффективности воздействий и количества дополнительных осадков из конвективных облаков// Метеорология и гидрология, 1995. N 4. С. 66-86.

18. Бибилашвили Н.Ш., Бурцев И.И., Серегин Ю.А. Руководство по организации и проведению противо градовых работ .- М.: Гидрометеоиздат, 1983.-168 с.

19. Брылёв Г.Б., Гашина СБ., Низдойминога Г.Л. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-231 с.

20. Буйков М.В., Кузьменко А.Г. О росте града в суперячейковых градовых облаках// Метеорология и гидрология , 1978. N11. С. 6-15 .

21. Ватиашвили, М. Р. Уточненный критерий засева объектов воздействия 2-й категории// Циклы природы и общества. Материалы XVI Международной научной конференции. Ставропль, 2008.- С. 300-307.

22. Деннис А. Изменение погоды засевом облаков: Пер. с англ./ М.: Мир, 1983.-272 с.

23. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. JL: Гидрометеоиздат, 1988. - 512 с.

24. Жекамухов М.Е. Некоторые проблемы формирования структуры градин. JL: Гидрометеоиздат, 1982.

25. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. — Л.:Гидрометеоиздат, 1971.

26. Калов Х.М., Калов Р.Х. О способе активного воздействия на градовые облака кристаллизующим реагентом // Труды ВГИ, 2001. Выпуск 91.-С.3-11.

27. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 464 с.

28. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака. Строение и физика образования. -Л.: Гидрометеоиздат, 1983. -280 с.

29. Марченко П.Е., Тхамоков Б.Х. Влияние микроструктуры на радиолокационно-доплеровские характеристики градовых облаков. // Труды ВГИ, вып. № 63, 1986 г.

30. Марченко П.Е., Кармов Х.М. некоторые результаты характеристик рассеяния и ослабления электромагнитного излучения дождевыми каплями. //Труды ВГИ, вып. №61, 1985 г.

31. Мейсон Б.Дж. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. - 542с.

32. Мельников В.М. Обработка информации в доплеровских МРЛ// Зарубежная радиоэлектроника.- 1993, № 4,- С. 35-42.

33. Методические указания. Планирование и проведение работ ■ по искусственному увеличению атмосферных осадков самолетными методами. М., ЦАО, 1999. - 34 с.

34. Мучник В.М. Физика грозы. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 351 с.35.0рсаева И.М., Шаповалов A.B., Шоранов P.A. Некоторые результатычисленных экспериментов по исследованию зарождения и роста града//

35. Материалы Всеросс. конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидромет. процессы, Нальчик, 1997.

36. Роджерс P.P. Краткий курс физики облаков. -JL, Гидрометеоиздат, 1979.-230 с.

37. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 348с.

38. Руководство по применению радиолокаторов МРЛ-4, МРЛ-5 и МРЛ-6 в системе градозащиты. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 230 с.

39. Рыжков A.B. Поляризационные методы в метеорологической радиолокации. Зарубежная радиоэлектроника, 1993, № 4, с. 18-28.

40. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы .- М.: Наука, 1989.

41. Сергеев Б.Н. Численное моделирование образования дождя из капельного конвективного облака// Труды ЦАО, 1980. Вып. 137. С. 39-51.

42. Стасенко А.Н., Щукин Г.Г. Методология исследования электричества грозовых облаков и активных воздействий на них//Тр. НИЦ ДЗА, 2000. Вып.2(548). С. 24-33.

43. Степаненко В. Д. Радиолокация в метеорологии. 2-е изд. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 343 с.

44. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град. Л.: Гидрометеоиздат, 1967.-412 с.

45. Тлисов М.И., Малкаров A.C. Измерение изотопного состава водорода в градинах// Труды ВГИ, 1989. Вып.72.

46. Федченко Л.М., Беленцова В.А. Термодинамические условия развития кучево-дождевой облачности//Труды ВГИ, 1982. Вып.51. С.73-79.

47. Хайкин М.Н. Пространственно-временная изменчивость полей осадков по радиолокационным данным // Доклады Всесоюзного семинара "Планирование и оценка эффективности работ по искусственному увеличению осадков". М.: Гидрометеоиздат, 1988. — С.43-53.

48. Хоргуани В.Г. Микрофизика зарождения и роста града. М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 184 с.

49. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 648 с.

50. Чочаев Х.Х. Аджиев А.Х. Определение точности регистрациипараметров конвективных облаков МРЛ-5 на расстояниях, превышающих 100 км//Обозрение прикладной и промышленной математики.-Т. 15.Вып.6,2008.- С.1142.

51. Чочаев Х.Х., Радиолокационные характеристики конвективных облаков: проблемы измерений и анализа. — г.Нальчик: Издательство Полиграфсервис и Т, 2009.- 99 с.

52. Цурков В.И., Шаповалов А.В. Двухуровневая методика в задачах управления дисперсными системами// Изв.АН СССР. Техническая кибернетика, 1990. N2.-С. 156-161.

53. Цурков В.И., Шаповалов А.В. О точечном управлении системой с распределенными параметрами// Изв.АН СССР. Техническая кибернетика, 1990. N4. С. 111-114.

54. Шаповалов А.В. Численное моделирование микроструктуры градовых облаков//Труды ВГИ, 1989. Вып. 77.- С.38-43.

55. Шметтер С.М. Термодинамика и физика конвективных облаков. JL: Гидрометеоиздат, 1987.

56. Щукин Г.Г., Стасенко В.Н. Методология исследований электричества грозовых облаков и АВ на них// Тр. НИЦ ДЗА,2000. Вып.2(548).-С.24-34.

57. Bean B.R., Dutton E.J. Radio meteorology. Dover, New York, 1968. -435 p.

58. Clift G. A. Use of radar in meteorology. WMO Technical Notes, №181, 1985.-Geneva.-90 p.

59. Manz A., Monk Т., Sangiolo J. Radome effects on weather radar systems, COST-75. Advanced weather radar systems/ International Seminar, Locarno, Switzerland, 1999, p. 467-478.

60. Rinehart R.E, On the use of ground return targets for radar reflectivity factor calibration checks. J. Appl. Met, 1978, v. 17, № 9, p. 1342-1350.

61. Almeida F.S., Bennett R.B. An analysis of Two Schemes to Numerically Solve the Stochastic Collection Growth Equation// J.Atmos. Sci., 1980. V.37, № 12.- P.2707-2711.

62. Browning K.A., Foote G.B. Airflow and hail growth in supercell storms and some applications for hail suppretion. Nation. Hail Research Exper. - 1975, №75/1.

63. Browning K.A., Ludlam F.H. Airflow in convective storms// Q.J. Roy. Met. Soc., No 376, 1962.

64. Chen J.P., Lamb D. Simulation of Cloud Microphysical and Chemical Processes Using a Multicomponent Framework. Part I: Description of the Microphysical Model//J. Atmos. Sci., 1994, V.51. P. 2613-2630.

65. Clark T. Numerical Simulation with a Tree-Dimention Cloud Model: lateral Boundary Condition Experiments and Multiceller Severe Storm Simulations//J.Atm. Sci, 1979, V.36, № 11. P. 2191-2215.

66. Farley R.B. Numerical Modeling of Hailstone Growth/ Part III: Simulation of an Alberta Hailstorm Natural Seeded Cases// J. Claim. Appl. Met., 1987, V.26,№7. - P. 789-812

67. Helsdon John H., Jr., and Farley Richard D. A numerical modeling Study of a Montana Thunderstorm, 1, Model Results Versus Observations Involving Electrical Aspects// J. Geoph. Res., 1987, V.92. P. 5661-5676.

68. Howell W.E. Comments "On using historical comparisons in evaluating cloud seeding operations"// J. Climate App. Met., 1984, V. 23. P. 850.

69. Hsie E.-Y., Farley R.D., Orville H.D. Numerical Simulation of Ice-Phase Convective Cloud Seeding// J.Appl. Meteor., 1980,V. 19. P. 950-977.

70. KessIer E. On the distribution and continuity of water substance in atmospheric circulations. Meteor. Monogr., 10, № 32.

71. Klemp J.B., Wilhelmson R.B. The simulation of three-dimentional convective storm dynamics// J.Atmos.Sci., 1978, V.35. P. 1070-1096.

72. Levin Z., Yin Y., Reisin T.G., Tzivion S. Comparison of hygroscopic and glaciogenic seeding on the evolution of the spectra of cloud andprecipitation particles in convective clouds: a numerical study// 7th WMO Sci. conf. on Weth. Mod., Thailand, 1999.

73. Mladjen Curie at al. The effects of the hail suppression seeding simulated by the two-dimentional convective cloud model// 7th WMO Sci. conf. on Weth. Mod., Thailand, 1999.

74. Mossop S.C. The origin and concentration of ice crystals in clouds // Bull. Amer. Soc., 1982. V.66. P.264-273.

75. Pranesha T.S., Kamra A.K. Scavenging of aerosol particles by large water drops. 2. The effect of electrical forces// J. Geoph. Res., 1997, V.102. P. 23937-23946.

76. Pruppacher H.R., Klett J.D. Microphysics of clouds and precipitation// D.Reidel Pub. Co., 1978. 714 p.

77. Weikmann H. The language of hailstorms and hail. Nubila, Anno, 1962.

Информация о работе

Чочаев, Хизир Хусейнович
кандидата физико-математических наук
Нальчик, 2009
ВАК 25.00.30

Диссертация

Методы корректировки и анализа радиолокационных параметров конвективных облаков в задачах активного воздействия на градовые процессы - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы