Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оптимизация процесса искусственного увеличения атмосферных осадков на основе разработки технологии планирования

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация процесса искусственного увеличения атмосферных осадков на основе разработки технологии планирования"

На правах рукописи

■-Г",, •

Клейменова Алина Викторовна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАНИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

з пар т

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нальчик - 2015 005559876

005559876

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет», г. Санкт-Петербург

Щукин Георгий Георгиевич профессор Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ.

Крученицкий Григорий Михайлович

заведующий отделом озонного мониторинга Центральной аэрологической обсерватории, доктор -физико-математических наук. Шхануков-Лафишев Мухамед Хабалович заведующий кафедрой вычислительной математики ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский Государственный Университет им. Х.Ф. Бербекова», доктор физико-математических наук, профессор.

ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский Федеральный Университет » г. Ставрополь Защита состоится "10" апреля 2015 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д327.001.01 при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2, электронная почта: vgikbr@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» и на сайте http://vgistikhiya.ru Автореферат диссертации разослан "20" февраля 2015 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат геогр. наук, доцент Н.В. Кондратьева

Ведущая организация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Среди стихийных явлений погоды, наносящих большой ущерб флоре, фауне и экономике планеты, наряду с градом, наводнениями, паводками важное место занимает засуха. Дефицит пресной воды в районах земного шара с недостаточным естественным увлажнением становится ощутимым тормозом для развития различных отраслей экономики.

Среди проектов, направленных на решение проблемы пресной воды, все большую роль приобретают современные технологии активного воздействия (AB) на атмосферные процессы с целью искусственного увеличения атмосферных осадков (ИУО). Российские технологии активного воздействия на облака с целью искусственного регулирования (увеличения или уменьшения) атмосферных осадков (ИРО) по достоинству занимают ведущее место в мире. Созданные российскими специалистами в результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований, проводившихся в СССР и затем в России (Ленинградский государственный метеорологический институт - Качурин Л.Г., Высокогорный геофизический институт - Бурцев И.И., Центральная аэрологическая обсерватория - Черников A.A., Шметер С.М, Серегин Ю.А., Главная геофизическая обсерватория . - Шишкин Н.С., Никандров В.Я., Институт экспериментальной метеорологии - Седунов Ю.С., Институт прикладной геофизики - Авдюшин С.И., Вульфсон Н.И., Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт - Корниенко Е.Е., Леонов М.П., Среднеазиатский научно-исследовательский

гидрометеорологический институт - Курбаткин В.П. и другие), технологии ИУО прошли многолетнюю практическую проверку в ближнем и дальнем зарубежье. По результатам выполненных проектов определены достаточно точно возможности современных технологий ИУО: а именно, до 60-100% увеличение осадков из отдельных облаков и 10-30 % увеличение сезонного слоя осадков.

Вместе с тем следует отметить, что современные технологии искусственного увеличения атмосферных осадков еще не имеют такой степени формализации, какая достигнута в технологии борьбы с градом. Это касается планирования работ (выбор и классификация объектов воздействий, выбор типа реагента и времени воздействий, контроль результатов воздействий), а также отсутствия надежных методов оценки экономической эффективности АВ при выполнении оперативных работ по ИУО. Объясняется это в основном тем, что оперативно-производственные работы по искусственному увеличению осадков в отличие от противоградовых работ стали проводиться в нашей стране лишь в середине 80-х годов прошлого века и нормативная база еще только формируется.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка технологии планирования производственных работ по ИУО, позволяющей оптимизировать процесс АВ на облака ещё на этапе планирования этих работ. Для достижения обозначенной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Выполнен анализ физической эффективности современных технологий ИУО и методов ее оценки с целью их использования при планировании производственных работ.

2. Исследована возможность проведения методами численного моделирования оценки физической эффективности еще на этапе планирования производственных работ по ИУО.

3. Исследовано влияние дополнительных осадков на урожайность в зависимости от видов сельскохозяйственных культур, засеваемых площадей и физико-географических особенностей регионов.

4. Разработана технология планирования и оценки эффективности работ по ИУО, позволяющая на этапе планирования оптимизировать затраты на их выполнение с учётом целей работ, физико-географических и метеорологических особенностей региона и периода их проведения.

Объект исследования. Объектом исследования являются производственные работы по искусственному увеличению осадков.

Предмет исследования. Предметом исследования являются методики проведения работ в зависимости от целей искусственного увеличения осадков.

Методы исследования. Методами исследования, использованными в настоящей диссертационной работе, являются численное моделирование и корреляционный анализ.

Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается эффективностью используемых алгоритмов проведения расчётов, большим объемом проведенных численных экспериментов по исследованию распространения реагента в облаке и изменения его характеристик и режима осадков в результате воздействия.

Научная новизна работы. В работе получены следующие научные результаты:

1. Разработана трёхмерная нестационарная численная модель распространения реагента в пограничном слое и свободной атмосфере при воздействии наземными и самолётными средствами. Применение модели впервые позволяет обоснованно подходить к выбору местоположения и необходимого количества наземных генераторов в зависимости от орографии местности и типов генераторов.

2. Разработана трёхмерная нестационарная численная модель воздействия на слоистообразные облака наземными и самолётными средствами, с помощью которой осуществляется моделирование процесса засева облаков и оценка эффекта воздействий.

3. С помощью разработанных численных моделей выполнены исследования эффективности воздействия на слоистообразные и орографические облака наземными и самолётными средствами.

4. Впервые разработана технология прогностической оценки экономической эффективности планируемых производственных работ по ИУО для решения различных хозяйственных задач.

5. С помощью разработанной технологии планирования выполнены исследования экономической эффективности работ по ИУО для увлажнения территорий, для нужд водоснабжения и сельского хозяйства в различных регионах.

Научная и практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

разработанные численные модели можно использовать для планирования и оценки эффективности производственных работ по искусственному увеличению осадков;

полученные в работе результаты позволят усовершенствовать существующие численные модели воздействий на слоистообразные и орографические облака; - результаты исследований связи урожайности сельскохозяйственных культур с осадками можно использовать для оценки эффективности и целесообразности проведения работ по ИУО для нужд сельского хозяйства; результаты исследований будут способствовать усовершенствованию существующих и разработке новых методов искусственного увеличения осадков с помощью активных воздействий.

На защиту выносятся: Численная модель распространения реагента в пограничном слое и свободной атмосфере при воздействии наземными и самолётными средствами.

Численная модель воздействия на слоистообразные облака наземными и самолётными средствами.

Результаты исследований физической эффективности воздействия на слоистообразные облака наземным и самолётным способами. Технология планирования и оценки эффективности планируемых производственных работ по ИУО.

Результаты исследований связи урожайности сельско-хозяйственных культур с осадками в различных регионах России.

6

- Результаты исследований эффективности производственных работ по ИУО для увлажнения территорий, для нужд сельского хозяйства и для задач водоснабжения пресной водой.

Личный вклад автора. Постановка задачи и выбор метода исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Использованный в диссертации экспериментальный материал получен при непосредственном участии автора. Разработка, тестирование и отладка трёхмерных численных моделей SeedDisp и Seeding были проведены совместно с Сергеевым Б.Н. Автором самостоятельно проведены исследования корреляционных связей между урожаем сельскохозяйственных культур и осадками. Основные выводы работы сформулированы автором самостоятельно.

Апробация работы. Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на 10-th WMO Sciense Conference on Weather Modification (Bali, 2011 г.), Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (г. Нальчик, 2011 г.), 11th International Precipitation Conference (Netherlands, June-July, 2013), Международной научной конференции с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата» (Ставрополь, сентябрь 2013 г.), Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР (г. Нальчик, октябрь 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 124 страницы, включая 42 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 167 наименований работ, из них 86 - на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, определены её цели, задачи и методы их решения, оценена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях и структуре диссертационной работы.

В первой главе приводятся результаты анализа современного состояния активных воздействий в области ИУО. Показано, что к настоящему моменту достигнуты заметные успехи, накоплен большой экспериментальный и теоретический материал, посвященный исследованиям способов, реагентов и технических средств для искусственного увеличения осадков средствами активного воздействия.

Существующие технологии увеличения атмосферных осадков, основанные на современных представлениях о механизмах облако- и осадкообразования, позволяют интенсифицировать процессы осадкообразования из переохлажденных облаков с помощью введения льдообразующих реагентов и из «теплых» облаков с помощью гигроскопических реагентов. При этом, если эффективность технологии ИУО из переохлажденных облаков достаточно подтверждена многолетними экспериментами и производственными проектами, то технология засева теплых облаков гигроскопическим аэрозолем находится в стадии разработки и требует дополнительных исследований в области поиска эффективных, технологичных и экологически чистых реагентов.

Анализ методов оценки результатов работ по ИУО позволяет констатировать, что существующие методы оценки физической эффективности (метод рандомизации и метод исторической регрессии), обладая своими преимуществами и недостатками, являются в настоящее время основными для оценки результатов выполняемых работ, но не могут быть использованы для оценки эффективности на этапе планирования работ. В связи с этим в работе

8

предлагается метод оценки эффективности, основанный на прогнозировании увеличения осадков с помощью методов численного моделирования.

Многолетняя практика экспериментальных и производственных работ по ИУО, проведенных как на территории СССР, России, так и за границей, показывает, что современные технологии ИУО из переохлажденных облаков позволяют увеличивать осадки и могут быть экономически рентабельными при их применении в различных отраслях народного хозяйства. В частности, для снабжения населения пресной водой и для нужд гидроэнергетики, получение дополнительных осадков для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, увлажнение больших территорий и т.д.

Во второй главе описываются трёхмерные численные модели SeedDisp и Seeding и приводятся результаты численных экспериментов, полученные с использованием этих моделей. Применение моделей впервые позволяет обоснованно подходить к выбору местоположения и необходимого количества средств воздействия в зависимости от метеоусловий и орографии местности.

Модель SeedDisp позволяет рассчитывать перенос частиц реагента в пограничном слое и свободной атмосфере при работе различных средств воздействия и реагентов. Модель является трёхмерной нестационарной с учётом рельефа местности.

Изменение вертикальных координат следует за изменениями рельефа местности

Z = z — ht, (1)

где Z — вертикальная координата с учётом рельефа (м), г — декартова вертикальная координата (м) и Л,- высота рельефа (м).

В модели используются диагностические поля скорости ветра, давления, температуры и влажности для свободной атмосферы, которые формируются по радиозондовым данным.

Вертикальная скорость ветра IV в системе, следующей за изменениями рельефа, определяется как

где и' - вертикальная составляющая скорости ветра в декартовых координатах (м/с), и и V — горизонтальные составляющие скорости ветра (м/с).

Для расчёта вертикальной скорости ветра в первом приближении применяется уравнение сохранения массы для несжимаемой жидкости

д(рЦ) . Э(рр) д(р\У) _ (3)

дх ду дг '

где р - плотность воздуха.

Характеристики атмосферного пограничного слоя рассчитываются на основе метода энергетического баланса и теории подобия. В качестве исходных данных используются данные наземных метеорологических наблюдений. При расчёте переноса частиц реагента используется комбинация лагранжева и эйлерова подходов. Распространение реагента моделируется как ввод в атмосферу отдельных небольших порций частиц в дискретные моменты времени. Порции частиц образуют объемы, в которых концентрация частиц имеет форму распределения Гаусса

С = ехр[-а2а/{2*&]ехр[-#/{2ф] (4)

(2л) 12аг 20г 2 ст2

где С — концентрация реагента в заданной точке (1/м3,); (? - общее количество частиц в облаке; ох и оу- стандартные отклонения (м) распределения Гаусса в направлении вдоль и поперёк ветра; ст. - стандартное отклонение (м) распределения Гаусса в вертикальном направлении; с1а и с1с — расстояния (м) от центра облака до заданной точки в направлении вдоль и поперёк ветра; Не — эффективная высота (м) центра облака над подстилающей поверхностью; г — вертикальная координата (м) заданной точки; А — высота (м) пограничного слоя, представляющего собой слой перемешивания.

Для состояния облака, соответствующего моменту времени сразу после диспергирования реагента, перенос искусственных частиц рассчитывается по

лагранжевой схеме. Как только размер засеянных объёмов становится сопоставимым с размером шага пространственной сетки, концентрация пересчитывается на сетку и происходит переход к эйлеровой схеме, то есть к решению уравнения вида

Э(рЛО д(риЫ) д(рум) Э(рИЧУ) _ (6)

где Ы— концентрация частиц, источник частиц, Р, — турбулентный перенос частиц.

При решении уравнения переноса частиц (6) на боковых границах области используются граничные условия, которые зависят от направления течения воздуха через границу области. В тех частях границ, где воздух втекает в область, концентрация частиц реагента N равна нулю

Ы(хь, у, 2,0 = 0, уь, г, I) = 0, (7)

так как извне частицы в область не поступают. На тех частях границ, где воздух вытекает из области, ставятся условия

= 0 иди д^Х,уь,2Х) = 0 (8)

дх ду '

которые моделируют условия свободных границ. В этих формулах хЬ1>'ь — координаты границы.

На нижней границе области ставится условие, аналогичное (8)

дМ(х,у, ОД) = о (9)

дг

На верхней границе области концентрация частиц реагента равна нулю Ы^х.у.Н, г) = 0, (10)

где Н— высота области.

На рис. 1 приведены результаты численного эксперимента по моделированию зон распространения реагента при воздействии наземными аэрозольными генераторами (НАГ-07) на территории Северо-Кавказской ВС.

1000 1.00Е+4 З.ООЕ+4 1.00Е+5 (+)мин.=0 (100,40) (х) макс. = 1.46Е+5 (46,36)

а)

Ъ, Воемя 13 ч 58 мин км -0 . . , . . . . . .

...... . _

И||Й|§|ЁЙ:

Ж ННВВЯНН т

Л ШИШ ШР -..............^ -........

№ ^.'ШШЗМНН К КМ

1000 ;.<ЮЕ+4 3.00Е-И 1.006-5 (+)ьом.«0 (70,3.0) (х)м*с.-3.16Е+5 (4.9.0.■»)

б)

Рис. 1. Поля концентрации частиц реагента (1/м3) в горизонтальном сечении 0,5 км относительно рельефа (а) и в вертикальном сечении (б) через 2 часа после включения НАГ на территории Северо-Кавказской ВС

12

Комплексный анализ результатов моделирования переноса реагента при воздействии наземными и самолётными средствами воздействия, выполненных для различных метеоусловий и регионов - Москва, Северный Кавказ, Крым и Кипр, и данных радиолокационных наблюдений позволяют сделать вывод, что созданные программные средства по расчёту переноса реагента и 3-х мерному отображению результатов численных расчётов имеет большие перспективы использования при разработке схем оптимального расположения наземных генераторов и выборе трасс полётов самолётов с учётом орографии местности на этапе планирования работ по ИУО и для определения режимов работы генераторов в зависимости от конкретных метеоусловий. Результаты количественного масс-спектрального анализа проб дождевой воды на содержание серебра при проведении воздействий генераторами НАГ-07 и ГЛА-105 на полигоне Северо-Кавказской военизированной службы в сезонах 2009 и 2010 гг., подтверждают, что аэрозоль йодистого серебра попадает в облака в количестве, достаточном для инициирования осадкообразования, и содержание серебра в осадках не превышает ПДК.

Модель Seeding предназначена для численного моделирования активных воздействий с целью увеличения осадков и является дальнейшим развитием модели SeedDisp.

Помимо переноса частиц реагента в модели рассчитывается эволюция полей влажности, облачной водности, концентрации ледяных кристаллов, облачной лёдности, водности дождя, лёдности снега.

Перенос и эволюция этих субстанций описывается с помощью уравнений

вида (6), в которые добавлен член — где/- концентрация или масса, vf-

скорость падения.

Предполагается, что облачные капли, ледяные кристаллы и дождевые капли имеют обобщенное гамма-распределение по размерам

N( (И)

где N1 - концентрация частиц того или иного вида, О - диаметр частиц. Показатель ц для частиц разного рода имеет следующие значения: = гтп(15,103/Л^+2) для облачных капель, ¡лс = 2 для ледяных кристаллов и ¡лг= О для дождевых капель.

Распределение снежинок по размерам имеет вид

где к0 = 490,6; к1 = 17,46; А0 = 20,78; Л7 = 3,29; = 0,6357; М2- момент распределения 2-го порядка; Мз - момент распределения 3-го порядка.

В модели рассматриваются следующие основные процессы роста и испарения частиц облаков и осадков. Облачные и дождевые капли увеличиваются в размерах за счет диффузионного роста при пересыщении относительно воды. Дождевые капли растут, захватывая облачную воду. Облачные и дождевые капли испаряются при недосыщении относительно воды. Ледяные кристаллы и снежинки испытывают диффузионный рост, если имеется пересыщение водяного пара относительно льда. При недосыщении эти частицы испаряются. Снежинки растут при захвате ледяных кристаллов и облачных капель.

При численном моделировании активных воздействий сначала рассчитывается естественное развитие слоистообразного облака и осадков. Важной частью этого расчёта является инициализация облака и осадков. На этом этапе расчёта происходит относительное установление полей основных характеристик облачности и осадков. Для установления обычно достаточно 2-3 часов эволюции. Расчёт столь длительной эволюции облака и осадков в области ограниченного размера требует особого подхода к заданию граничных условий. Необходимо, чтобы процесс установления захватывал не только внутреннюю часть области, но также и границы области, поэтому на этапе инициализации на боковых границах ставятся циклические граничные условия.

Циклические условия имеют вид

/02,у,0 =/(х1(у,г,0, /(х,у2,г,Ь) =/(х.у^г.е), (13)

где xi и уi — координаты границ, через которые воздух вытекает из области, а х2 и у>2 — координаты границ, через которые воздух втекает в область.

После завершения этапа инициализации облака и осадков продолжается расчёт относительно устойчивой эволюции облака и осадков, обычно в течении нескольких часов. Для этой части расчёта ставятся условия открытых границ.

Условия открытых границ формулируются следующим образом. В той части границы, где воздух втекает в область, ставятся условия

f(xb, у, z, 0 = fb(x„, у, z) или /О, уь, z, 0 = fb (х, у„, z), (14) где хь, уь — координаты границы, /ь — значения величины/на соответствующей границе, рассчитанные в ходе инициализации. На тех границах, где воздух вытекает из области, ставятся условия

anxb,y,z,t) = Q или эпхщя = Q (15)

дх ду '

На нижней границе области для всех величин кроме влажности ставится условие, аналогичное (20)

апху.o,t) _ (16)

dz

На верхней границе области все величины кроме влажности воздуха равны нулю

f(x,y,H,t) — 0, (17)

где Н— высота области.

На нижней и верхней границах области влажность воздуха принимается равной ее начальным значениям.

Момент начала воздействия выбирается по результатам расчёта естественной эволюции облака и осадков, когда временные изменения их характеристик становятся относительно небольшими.

Для иллюстрации возможностей модели Seeding на рис. 2-4 приведены результаты численного эксперимента, проведенного в период воздействия пиропатронами ПВ-26 на слоистообразную облачность в районе Москвы 25.03.2013 г. с применением радиолокационного комплекса "Контур-Метео".

Рис. 2. Горизонтальное (Н=1 км) и вертикальное сечения, и вертикальный профиль радиолокационной отражаемости, полученные с помощью радиолокационного комплекса «Контур-Метео».

Рис. 3. Вертикальное сечение радиолокационной отражаемости, построенное по результатам численного моделирования

Ъ, Время 14 ч 00 мин (верт. сечение х1=200.00 км, у1=20.00 км, х2=60.00 км, у2=200.00 км]

км

Время 14 ч 00 мин У,

км

Рис. 4. Изменение количества осадков (%) через 2 часа после начала воздействий пиропатронами ПВ-26.

В третьей главе приводятся результаты исследования корреляционных зависимостей между урожайностью различных сельскохозяйственных культур и количеством осадков с учётом метеорологических особенностей регионов и видов выращиваемых сельскохозяйственных культур.

Для исследования связей между урожайностью сельскохозяйственных культур и количеством осадков в работе использовалась линейная регрессионная модель вида:

0 = а+йРсР (18)

17

где Q - урожайность культур, ц/га; Рср-среднее количество осадков, выпавших на территории выращивания культур за выбранный период времени. Коэффициенты а и Ъ определяются методом наименьших квадратов по данным об урожайности и осадках за тот же период.

Анализ результатов исследований моделей «урожай-осадки», описываемых уравнением (18), выполненный для выращиваемых на территории Ставропольского края сельскохозяйственных культур (картофеля и сахарной свеклы) и осадков, выпавших в различные периоды года — в осенний (сентябрь-октябрь-ноябрь) и весенний (май-июнь) периоды в 2003-2011 гг., показал, что наибольшая статистически значимая на 5%-ном уровне связь урожайности наблюдается с осадками, выпавшими в вегетационный период май-июнь.

Полученные регрессионные уравнения связи урожайности Q (ц/га) с количеством осадков Р (мм) имеют вид:

для картофеля QKapT = 40,4 + 0,43 Рмай- „юнь (19)

для сахарной свеклы Qca*« = 143,1 + 2,33 Рмай.ИЮНь (20)

Исследования зависимости урожайности от количества осадков, проведенные для пяти культур (озимой пшеницы, зерновых, картофеля, кукурузы и подсолнечника), выращиваемых на территории Баксанского района (Кабардино-Балкария), от осадков, выпавших в весенний (май-июнь) периоды в 1970-1997 гг., показал, что статистически значимая на 5%-ном уровне связь урожайности для озимой пшеницы, зерновых и подсолнечника наблюдается с осадками, выпавшими в июне, а для картофеля — в мае. Для кукурузы связь урожайности с осадками оказалась статистически незначимой.

Полученные регрессионные уравнения связи урожайности Q (ц/га)

с количеством осадков Р (мм) имеют вид:

для озимой пшеницы Ооз пш= 20,2 + 0,09 Риюнь (21)

для зерновых <Ззерн= 27,1 + 0,07 Риюнь (22)

для подсолнечника (3„одс= 6,9 + 0,05 Рию„ь (23)

для картофеля С>карт= 40,3 + 0,78 Рмай (24)

Исследования зависимости урожайности озимой и яровой пшеницы, выращиваемых на территории Орловской, Ростовской, Оренбургской областей, а также Алтайского края в период с 1955-го по 2013 годы, а также осадков, выпавших в различные периоды года — в осенний (сентябрь-октябрь) и весенне-летний (апрель-июнь) периоды, показал, что в Ростовской области наибольшая статистически значимая связь урожайности для озимой пшеницы наблюдается с осадками, выпавшими в сентябре, в Орловской области - в октябре, в Оренбургской области - в мае-июне. Для яровой пшеницы наибольшая связь урожайности отмечается с осадками, выпавшими в Алтайском крае и Оренбургской области в мае-июне.

Полученные регрессионные уравнения связи урожайности озимой

пшеницы с количеством осадков имеют вид:

для Ростовской области (),„ пш = 18,4 + 0,09 Рсент (25)

для Орловской области Оозпш = 13,8 + 0,10 Роет (26)

для Оренбургской области 0оз пш = 5,5 + 0,11 Рм.и (27)

Для яровой пшеницы регрессионные уравнения связи урожайности (ц/га) с количеством осадков Р (мм) имеют вид:

для Оренбургской области 0яр.Пш = 3,5 + 0,07 Рм_и (28)

для Алтайского края (Зярпш = 3,3 + 0,08 Рм_и (29)

Исследования зависимости урожайности от осадков, выполненные с использованием корреляционного анализа для различных сельхокультур, выращиваемых на территории шести различных регионов России, подтвердили наличие связи урожайности этих культур с осадками, которая может использоваться для прогноза урожайности. В свою очередь прогноз урожайности может быть положен в основу методики оценки эффективности работ по АВ на облака с целью ИУО для нужд народного хозяйства.

В четвертой главе рассматриваются технологии планирования производственных работ по ИУО в зависимости от их назначения и целей.

Планирование производственных работ по ИУО с целью увлажнения площадей

на Кипре

Работы с целью увлажнения больших территорий представляют собой наиболее распространённый вид работ по ИУО. На рис. 5 приведена разработанная схема планирования работ по ИУО с целью увлажнения заданных территорий. Приведенная схема была апробирована при разработке технико-экономического обоснования работ по ИУО на территории Республики Кипр.

Рис.5. Схема планирования работ по ИУО с целью увлажнения заданных

территорий

Результаты анализа климатических характеристик облачности и осадков на территории Кипра, результаты численного моделирования и оценка затрат на выполнение работ по засеву облаков позволяют сделать вывод, что на территории Кипра существуют условия для засева облаков льдообразующими реагентами с использованием самолётных и наземных аэрозольных генераторов с целью получения 5-15% дополнительных осадков на территории Кипра.

При предположении, что эффективность воздействий составит 15%, на территории мишени в результате засева облаков в декабре—феврале ежемесячно может быть получено около 30 млн м3 дополнительной воды. Принимая во внимание затраты на проведение работ, себестоимость одного м3 воды, полученной в результате засева облаков, составит около 2-3 евроцентов, что свидетельствует об экономической эффективности использования разработанной в России технологии АВ на облака с целью искусственного увеличения осадков на территории Кипра.

Планирование производственных работ по ИУО с целью пополнения запаса водохранилищ Принимая во внимание дефицит пресной воды в районах с недостаточным естественным увлажнением одной из важнейших задач является пополнение водозапаса водохранилищ методами АВ. Для подготовки ТЭО работ по ИУО с целью пополнения запасов Чернореченского водохранилища (Крым) была использована схема, аналогичная приведенной на рис. 5.

Анализ климатических характеристик облачности и осадков на территории юга Крыма и результаты численного моделирования, выполненные согласно приведенной схемы планирования работ, позволяют сделать вывод, что на территории Крыма в ноябре-феврале существуют условия для засева облаков льдообразующими реагентами с использованием наземных и самолётных аэрозольных генераторов йодистого серебра с целью получения дополнительных осадков.

Оценка затрат на выполнение работ по ИУО с целью пополнения водозапасов Чернореченского водохранилища показала, что при использовании

21

самолётов Ан-30 и Ан-28 ежемесячные затраты составят соответственно около 39 и 22,5 млн. рублей.

При воздействии на облака наземными генераторами общей продолжительностью 112 часов с 4 пунктов воздействия затраты составят около 12 млн. рублей в месяц. При этом количество дополнительных осадков при использовании самолётного метода составит около 20%, а при наземном методе около 10% от месячной нормы.

Объем полученной в результате активных воздействий дополнительной воды, рассчитанный на основании среднемесячного количества осадков, при площади водосбора 350 км2, коэффициенте стока 0,5 и площади зеркала водохранилища 6,04 км2, составит при одновременном воздействии наземными и самолётными средствами около 9 млн. м3.

При затратах на проведение работ с ноября по февраль с одновременным использованием наземных и самолётных средств, составляющих от 140 до 210 млн. рублей, стоимость одного м3 дополнительной воды составит около 15-23 рублей в зависимости от типа используемого самолёта.

Оценка экономической эффективности при планировании производственных работ по ИУО для нужд сельского хозяйства

Схема планирования работ по ИУО с целью повышения влагосодержания почвы в период вегетации сельскохозяйственных культур аналогична схеме, приведенной на рис.5. Оценка эффективности при планировании работ по ИУО для нужд сельского хозяйства базируется на результатах исследования связи урожайности сельскохозяйственных культур с осадками.

Используя такую связь можно спрогнозировать, что прирост урожайности АО за счет дополнительно полученной воды АР составит при искусственном увеличении осадков в результате активных воздействий на облака АО = Ъ АР.

При занятой под культуру площади 5, увеличение сбора урожая составит ДУ=Д<3*5. Выручка от продажи дополнительно урожая, полученного благодаря ИУО в наиболее благоприятные с точки зрения роста растений месяцы, составит: ДО = ДУ*Э = Др*5*Э, где Э - закупочная цена культуры.

Расчёт экономической эффективности ИУО проводился в диссертации для шести регионов России с помощью полученных во второй главе моделей «урожай-осадки» и характеристик облачности и осадков для этих территорий.

В таблицах 1, 2 и 3 приведены результаты оценки эффективности ИУО с учётом облачных ресурсов в предположении, что работы по АВ на облака выполняются с использованием самолётных и наземных средств воздействия и увеличение осадков благодаря АВ составит 20%. Расчёты выполнены по данным о средних ценах и посевных площадях культур в рассматриваемые периоды. Значения ДС^тт и ДС>тах в таблице 1 соответствуют значениям урожайности культур в наименее и наиболее урожайные годы периода.

Таблица 1

Оценка экономической эффективности ИУО самолётным методом для нужд

сельского хозяйства в Ставрополе

Период Д<3тт/Д(3тах (ц/га) ДУтт/ДУтах (тонн) ДОгшп/ДОтах (млн.руб)

Картофель

Май - Июнь 2,27/5,11 6 370/ 14 322 51/116

Сахарная свекла

Май - Июнь 12,21/24,56 31 163/62 694 39/79

Таблица 2

Оценка экономической эффективности ИУО самолётным методом и наземными генераторами для нужд сельского хозяйства в Кабардино-Балкарской республике

Период Д(3 (ц/га) ДУ (тонн) ДЭ (млн. руб)

самол | наземн самол | наземн самол | Наземн

Озимая пшеница

Июнь | 0,55 1,26 545 1 264 4,4 10,1

Зерновые

Июнь 1 0,43 0,99 428 992 4,3 9,9

Картофель

Май 1 3,75 8,70 589 1 366 5,9 13,6

Подсолнечник

Июнь 0,28 0,66 82 190 4,1 9,5

Таблица 3

Прибыльность работ по ИУО в пяти регионах России

Регион Период Урожайн. ц/га Осадки мм Площадь тыс. га АО ц/га ЛУ тыс.т ДЭ млн. р.

Озимая пшеница

Орловская обл. октябрь 19,0 50,1 187,4 0,36 6,7 60,7

Ростовская обл. сентябрь 21,8 36,7 1 377,0 0,23 32,3 258,1

Ставропольский край октябрь 22,0 35,3 1 411,3 0,38 53,8 193,7

Оренбургская обл. май-июнь 13,4 70,1 99,2 0,54 5,4 37,6

Яровая пшеница

Алтайский край май-июнь 10,1 87,5 3 274,7 0,47 153,6 1 229,2

Оренбургская обл. май-июнь 8,7 70,1 2 293,4 0,35 81,0 567,1

Таблица 4

Затраты на выполнение работ по ИУО наземными генераторами и самолётным методом

Период работ по ИУО Затраты (млн. руб.)

М-101Т «Гжель» Ан-30 НАГ-07М 4 шт.

1 месяц 18,5 30,0 9,5

2 месяца 33,0 55,0 17,5

Таблица 5

Рентабельность работ по ИУО в пяти регионах России

Регион ДБ млн. руб. Кол-во самолётов Затраты млн. руб. Рентабельность млн. руб.

Озимая пшеница

Орловская обл. 60,7 1 18,5-30,0 30,7 - 42,2

Ростовская обл. 258,1 3 55,5 - 90,0 168,1 -202,6

Ставропольский 193,7 3 55,5-90,0 103,7- 138,2

край

Оренбургская обл. 37,6 1 33,0-55,0 -17,4-4,6

Яровая пшеница

Алтайский край 1229,2 5 165-275,0 954,2-1064,2

Оренбургская обл. 567,1 4 132-220,0 347,1 -435,1

Сравнение результатов расчётов экономической эффективности работ по ИУО при 20% увеличении осадков (Табл. 1, 2 и 3) с оценками расходов на проведение производственных работ по АВ самолётным методом (Табл. 4) показывает, что в Ставропольском крае для картофеля чистая прибыль ИУО в мае-июне может составить до 83 млн. руб., при этом в сезоны с минимальными облачными ресурсами применение самолётов типа Ан-30 оказывается нерентабельным; при выращивании сахарной свёклы ИУО в мае-июне дают до 46 млн. руб., однако в сезоны с минимальными облачными ресурсами самолётный метод АВ на облака оказывается нерентабельным. В Баксанском районе Кабардино-Балкарии для всех культур использование самолётов типа М-101Т «Гжель» и Ан-30 оказывается нерентабельным, а использование четырёх наземных генераторов (10 дней в месяц по 8 часов ежедневно) с целью повышения урожайности оказывается рентабельным для озимой пшеницы, зерновых и картофеля, при этом прибыль составит от 0,4 до 4,1 млн. рублей. На территории Орловской, Ростовской, Оренбургской областей, а также

Ставропольского и Алтайского краев для обеих культур использование обоих типов самолётов будет рентабельным за исключением озимой пшеницы в Оренбургской области, где воздействия с помощью самолёта Ан-30 оказывается нерентабельным. При этом прибыль будет составлять от 4,6 до 1064,2 млн. рублей (Табл. 5).

Таким образом, проведенные в диссертации расчёты по различным регионам России и различным сельскохозяйственным культурам подтвердили правомерность разработанного алгоритма, позволяющего прогнозировать экономическую эффективность производственных работ по искусственному увеличению атмосферных осадков с использованием самолётных и наземных средств воздействия для нужд сельского хозяйства. Проведенный анализ показал, что в зависимости от вегетационных особенностей культуры и климатических особенностей региона, в каждом случае требуется индивидуальный анализ для выявления наиболее подходящих периодов проведения работ. Полученные результаты в целом хорошо согласуются между собой, а выявленные колебания объясняются рядом объективных факторов, таких как увеличение статистической достоверности зависимости урожайности культур от количества осадков при увеличении длины ряда наблюдений, снижение эффективности работ по ИУО при меньшей доле площадей, засеянных культурой, в общей площади сельхозугодий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационного исследования получены следующие основные результаты: На основе созданных трёхмерных нестационарных моделей выполнены численные эксперименты по распространению реагента и воздействию на слоистообразные облака наземными и самолётными средствами.

1. Комплексный анализ результатов численного моделирования и данных радиолокационных наблюдений показал перспективность использования созданных моделей для разработки трасс полетов самолётов, схем размещения

26

наземных генераторов и выбора режимов работы наземных и самолётных средств воздействия при планировании работ по ИУО с учётом метеоусловий и орографии района предполагаемых работ, а также для исследования эффективности воздействий.

2. Исследованы корреляционные зависимости урожайности различных сельскохозяйственных культур от количества выпадающих осадков в период их вегетации и построены модели «урожай-осадки» для различных регионов России.

3. Разработана технология планирования и оценки эффективности проведения производственных работ по ИУО наземными и самолётными методами, позволяющая осуществить оптимизацию планируемых работ по ИУО применительно к различным хозяйственным задачам.

4. С помощью разработанной технологии планирования выполнена оптимизация производственных работ по ИУО наземным и самолётным методами с целью увлажнения территории Республики Кипр, а также с целью пополнения водозапаса Чернореченского водохранилища (Республика Крым).

5. С помощью разработанной технологии выполнены оценки эффективности и целесообразности проведения производственных работ по ИУО самолётными и наземными методами с целью повышения урожайности различных сельскохозяйственных культур в Ставропольском и Алтайском краях, в Республике Кабардино-Балкария, в Орловской, Ростовской и Оренбургской областях.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

1. Koloskov, В.P. Numerical simulation of seeding material dispersion by ground-based Agi generator in mountainous terrain / B.P. Koloskov, V.P. Korneev, A.V. Kleymenova, B.N. Sergeev, A.V. Shapovalov //10th WMO Sei. Conf. on Weather Mod., Bali, Indonesia. - 2011.

2. Колосков, Б.П. Численное моделирование переноса реагента при работах по активным воздействиям на облака / Б.П. Колосков, В.П. Корнеев, A.B.

Клейменова, Б.H. Сергеев, A.B. Шаповалов, Х.Х. Чочаев, М.Н. Бейтуганов // Метеорология и гидрология. - N12. - 2012. - С.44-54.

3. Клейменова, A.B. Оценка эффективности производственных работ по ИУО на этапе их планирования / A.B. Клейменова, Б.П. Колосков, В.П. Корнеев, В.И. Лозовой, И.И. Акимова // Ученые записки РГГМУ. - N31. - С-П. - 2013. -С. 150-161.

4. Клейменова, A.B. Оценка эффективности производственных работ по ИУО самолётным методом на территории Ставропольского края / A.B. Клейменова, Б.П. Колосков, В.П. Корнеев, В.И. Лозовой, И.И. Акимова // Материалы Международной научной конференции с элементами научной школы. - г. Ставрополь. - 2013. - С. 154-158.

5. Koloskov, В. Climatology of Precipitation on the Cyprus Territory and Potential of their Increase / B. Koloskov, A. Kleymenova, V. Korneev // 11th Int. Prec. Conf. - Ede-Wageningen, Netherlands. - 2013.

6. Клейменова, A.B. Оценка эффективности производственных работ по ИУО самолётным методом на территории Ставропольского края / A.B. Клейменова, Б.П. Колосков, В.П. Корнеев, В.И. Лозовой, И.И. Акимова // Известия Высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2014. - N1 - С. 69-73.

7. Петрунин, A.M. Наземный аэрозольный генератор нового поколения с системой дистанционного управления по радиоканалу / A.M. Петрунин, A.A. Бычков, A.B. Клейменова, A.B. Частухин, C.B. Мельник, О.Г. Егоров // Труды ВГИ, №98. - 2014. - С.32-36.

Работы [2], [3], [6] опубликованы в журналах из перечня ВАК. Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [3,4,6] - результаты исследований, проведенных методом корреляционного анализа; в работах [1,2,7] - расчёт моделирования переноса реагента; в работе [5] - анализ климатологии региона, численное моделирование переноса реагента.

Подписано в печать: 11.02.2015 Тираж: 100 шт. Заказ № 090 Отпечатано в типографии «Реглет» 125009, г. Москва, Страстной бульвар, д. 4 +7(495)978-43-34; www.reglet.ru