Разработка методического подхода и рекомендаций по применению методов и средств модификации слоистообразной облачности для решения народно-хозяйственных и прикладных задач

Шереметьев, Роман Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методического подхода и рекомендаций по применению методов и средств модификации слоистообразной облачности для решения народно-хозяйственных и прикладных задач
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Разработка методического подхода и рекомендаций по применению методов и средств модификации слоистообразной облачности для решения народно-хозяйственных и прикладных задач"

На правах рукописи

0046

6256

Шереметьев Роман Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ПОДХОДА И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОДИФИКАЦИИ СЛОИСТООБРАЗНОЙ ОБЛАЧНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 9 ДЕК 2010

г. Нальчик-2010 г.

004616256

Работа выполнена в Государственном учреждении «Научно-производственное объединение «Тайфун»»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Иванов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ и КБР Щукин Георгий Георгиевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Государственн

Защита состоится «22» декабря 2010 года в 1600 на заседа? диссертационного совета Д.327.001.01. при Высокогорном геофизичесь институте по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорт геофизического института по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2

кандидат физико-математических наук Березннский Николай Александрович

научно-исследовательский

навигацион

гидрографический институт» , г. Санкт-Петербург

2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат.наук, профессор

Шаповалов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Совершенствование имеющихся и поиск новых путей активного воздействия на облака и туманы, разработка методологии, методических подходов. и рекомендаций по применению разрабатываемых методов и средств модификации облачных сред была и остается важной задачей гидрометеорологии.

В России и за рубежом большое внимание уделяется созданию новых методов и средств воздействия на облачные системы, и крайне мало работ, посвященных разработке научно-обоснованных рекомендаций по их применению в интересах различных потребителей, в том числе для решения прикладных задач. В этой связи большое количество разрабатываемых методов и средств воздействия на гидрометеорологические процессы не находят практического применения.

Актуальность исследований определяется практической необходимостью совершенствования и разработки научно-обоснованных рекомендаций по применению методов и средств активных воздействий (AB) на слоистообразную облачность для решения народно-хозяйственных, в том числе важнейших прикладных задач.

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом выполнено большое количество теоретических и экспериментальных работ в области воздействия на гидрометеорологические и другие геофизические процессы и явления. К разрабатываемым и исследуемым методам воздействия следует отнести: рассеяние переохлажденных и теплых облачных сред; регулирование осадков, в том числе из теплых конвективных облаков; создание искусственных облаков и туманов для управления погодой; защита растений от градобитий и заморозков и т.д.- Вместе с тем можно отметить, что на современном этапе наиболее существенные результаты, применяемые в том числе и на практике, получены в области воздействия на облака и туманы, главным образом, переохлажденные.

В России и бывшем Советском Союзе наиболее важные и значимые работы в области модификации облаков и туманов были проводились и проводятся в таких организациях как: Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова, Центральная аэрологическая обсерватория, Институт экспериментальной метеорологии (ныне НПО «Тайфун»), Высокогорный геофизический институт, Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Среднеазиатский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Закавказский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Казахский научно-исследовательский гидрометеорологический институт. Среди учёных, внесших весомый вклад в развитие теоретических основ воздействия на облака и туманы, разработку химических и технических средств модификации атмосферных процессов и явлений, следует назвать Фёдорова Е.К., Залиханова М.Ч., Шишкина Н.С., Качурина Л.Г., Седунова Н.С., Серегина Ю.А., Плауде Н.О., Гайворонского И.И., Прихотько Г.Ф., Леонова М.П., Абшаева М.Т., Половина И.П., Корниенко Е.Е., Левина Л.Н., Вульфсона Н.И. и др. Из зарубежных учёных, достигших больших успехов в этом направлении, следует особо выделить: Венегера (Wegener А.), Бержерона (Bergeron Т.), Финдайзена( Findeisen W.), Воннегата (Vonnegut В.), Шеффера (Schaefer V.J.), Мейсона (Mason B.J.), Дениса ( Dennis V) и др.

Выполненный в работе анализ исследований отечественных и зарубежных авторов по проблеме модификации облаков и туманов показал, что к настоящему времени в этой области получены следующие основные результаты:

1. Разработаны физические основы и методы АВ на облака и тумак главным образом, переохлаждённых.

2. Получены критерии пригодности переохлаждённых слоистообразных конвективных облаков для АВ с целью вызывания (интенсификаци осадков и рассеяния (разрушения) облаков.

3. Разработаны реагенты для воздействия на переохлажденные и тёпл) облака и тумана и технические средства для их применения.

4. Выполнены количественные оценки пригодности переохлаждёнш слоистообразных облаков к АВ с целью вызывания (интенсификаци осадков и рассеяния облаков над рядом районов Украины, Средней Азн Арктики, Крыма, Северного Кавказа, Поволжья и др..

В то же время недостаточно освещенными остаются вопросы, связанные разработкой рекомендаций по применению методов и средств АВ на облака туманы, особенно в горной местности, для обеспечения выполнения прикладш задач.

Цель работы и направления исследований.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение качест метеорологического обеспечения отраслей экономики на основе разработ! методического подхода и научно-обоснованных рекомендаций по АВ 1 слоистообразную облачность для решения народно-хозяйственных и прикладнь задач в различных географических районах страны с учетом климатических метеорологических особенностей в регионах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующ) основные задачи:

1. Оценить влияние облаков и туманов на народно-хозяйственные объект и деятельность человека в различных отраслях экономики.

2. Выполнить системный анализ в области разработки методов и среде АВ на облака и туманы в России и за рубежом.

3. Провести физико-статистический анализ слоистообразной облачное применительно к различным физико-географическим условиям России сопредельных с ней государств, применительно к проблеме 1 модификации.

4. Оценить повторяемость тёплых и переохлаждённых слоистообразнь облаков применительно к различным физико-географическим услови; России и сопредельных с ней государств.

5. Оценить пригодность к рассеянию переохлаждённой слоистообразш облачности над различными географическими районами России сопредельных с ней государств.

6. Разработать рекомендации по использованию методов и средств АВ 1 переохлаждённую слоистообразную облачность и туманы в целях I рассеяния или создания зон просветления.

В качестве объекта исследования в работе выбрана слоистообразн; облачность (слоистые, слоисто-кучевые облака, наблюдающиеся над северными северо-западными районами Северо-западного региона и дальневосточны\ районами России самостоятельно и в сочетании с высоко-кучевой облачность« так как она является наиболее часто встречающейся формой облачности н; рассматриваемыми в диссертации районами и оказывающей серьезное влияние I многие сферы и отрасли деятельности человека.

Предметом исследования являются:

- характеристики слоистообразной облачности;

- методы и средства модификации слоистообразной облачности с целью её рассеяния или усиления в интересах различных потребителей.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- разработаны справочные физико-статистические модели слоистообразной облачности применительно к проблеме её рассеяния или усиления для решения важных народно-хозяйственных задач;

- разработаны методические рекомендации к проведению АВ рассеяния переохлажденной слоистообразной облачности для решения прикладных задач в интересах МЧС, применения авиации и др.;

- разработан метод определения водозапаса слоистообразной облачности без непосредственных измерений водности в облаках применительно к проблеме ее модификации с целью рассеяния;

Теоретическая значимость полученных результатов состоит в дальнейшем развитии основ теории метеорологического обеспечения работ по воздействию на облака в различных физико-географических условиях.

Научная и практическая значимость работы.

Научная значимость исследований заключается в развитии и создании научно-методических основ гидрометеорологического обеспечения различных мероприятий, для которых мешающим фактором является облачность (воздушные, наземные и водные перевозки, спасательные и антитеррористические операции и др.) в части повышения качества и расширения их возможностей за счёт применения средств АВ на облачности с целью ее рассеяния или усиления.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

- полученные в работе статистические данные о характеристиках слоистообразной облачности (расслоённость, фазовая структура, температурные и геометрические характеристики облачности) могут быть использованы для уточнения моделей облачной атмосферы над выбранными районами;

- полученные в работе количественные оценки пригодности к рассеянию или усилению слоистообразной облачности позволяют без предварительного проведения натурных экспериментов оценить целесообразность и необходимость проведения работ по воздействию на слоистую облачность в конкретных физико-географических условиях;

- разработанная в диссертации методика рассеяния или создания зон просветления в переохлажденной слоистообразной облачности может быть использована для решения широкого круга прикладных задач (например, проведение поисково-спасательных работ, десантирование аварийных групп и техники, эвакуация населения и др.).

Методы исследования: в работе использованы методы теории вероятности математической статистики, теории эффективности целенаправленных процессе физики атмосферы и метеорологии.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной рабо результатов исследований обусловлены аргументированностью исходне положений, логической непротиворечивостью рассуждений, а также корректнь использованием современного математического аппарата и подтверждают согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с большинстве результатов других авторов, фундаментальными теоретическими положениями накопленным эмпирическим материалом

Результаты исследований реализованы в:

- Главной геофизической обсерватории имени А.И. Воейкова п| разработке и обосновании «Перспективного плана работ ГГО им. А.] Воейкова по модификации облачности на период 2009-2012 годы»;

- НПО «Тайфун» при разработке реагентов и технических средств АВ 1 облака и туманы;

- учебном процессе Казанского высшего артиллерийского командно училища (военного института) имени маршала артиллерии М.1 Чистякова при чтении курсантам училища дисциплины «Экология».

- Высокогорном геофизическом институте при разработке и обоснован! «Перспективного плана работ ВГИ по модификации облачности на перш 2010-2012 гг.».

На защиту выносятся:

1. Физико-статистические модели слоистообразной облачности.

2. Оценки пригодности слоистообразной облачности к АВ с цель рассеяния или усиления.

3. Методика модификации переохлажденной слоистообразной облачности целью рассеяния или усиления в интересах метеорологическо обеспечения специальных, антитеррористических, спасательных и д операций.

4. Рекомендации по практическому применению методов и средств АВ ] переохлажденную слоистообразную облачность для решения народн хозяйственных и прикладных задач.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является логическим продолжением исследовани выполненных сотрудниками ГГО им. А.И. Воейково, ЦАО, НПО « Тайфун», ВГ] Укр.НИГМИ и др. в области физики облаков и связанных с получение статистических характеристик слоистообразной облачности применительно проблеме её модификации в конкретных физико-географических районах интересах решения прикладных задач.. Соискатель убедительно показ; возможность и целесообразность использования для проведения такого ро, исследований материалов сетевого самолетного зондирования атмосферы ТА' 7,7м.

Личный вклад автора состоит в разработке физико-статистических модел( слоистообразной облачности (расслоённость, фазовая структура, температурные геометрические характеристики и др.) над выбранными в диссертации пунктаи зондирования, а также в создании методических рекомендаций по рассеяни

переохлажденной слоистообразной облачности, основанных на полученной в диссертации базе данных метеоэлементов для выбранных в настоящей работе физико-географических районов. Соискателем разработан методический подход к физико-статистическому математическому обеспечению обработки и анализа данных о слоистообразной облачности, выполнена обработка материалов самолетного зондирования атмосферы и создана база данных измерений. Приведены научно - обоснованные рекомендации по применению методов и средств модификации переохлаждённых слоистообразных облаков для решения прикладных задач.

Под научным руководством к.ф.-м.н. Иванова В.Н. соискателем были разработаны инженерные методы оценки и интерпретации данных о слоистообразной облачности, выполнены расчеты пригодности слоистообразной облачности к AB с целью рассеяния.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 6°" Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли", (г. Санкт-Петербург, 7-10 октября 2008 года); XIX-XXII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях (Казань, май 2007 - май 2010 гг.); III Военно-научной конференции Космических войск (г. Санкт-Петербург, 23-24 января 2007 г.); Межрегиональном научном семинаре "Экология и космос" (г. Санкт-Петербург, февраль 2010 года); 7-ой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли-2010» (г. Санкт- Петербург, 28 сентября-1 октября 2010 года);семинарах НПО « Тайфун» и ВГИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, из них 3 патента на изобретения.

Исследования, выполненные автором, явились составной частью научно-исследовательских работ по темам: «Разработка комплексного метода регулирования атмосферных осадков с использованием реагентов гигроскопического и кристаллизующего действия» Плана НИОКР Росгидромета», «Разработка и исследование методов активного воздействия порошкообразными гигроскопическими реагентами на конвективные облака с целью увеличения осадков с использованием УСУ «Комплекс модельных установок для исследования геофизических процессов» (сокращенное наименование: «Аэрозольный корпус») в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Объём и структура работы. Структурно диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 212 источников, и приложения. Общий объём работы составляет 193 страницы, в том числе 38 рисунков и графиков, а также 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость их результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, дано краткое изложение содержания работы.

Первая глава посвящена системному анализу проблемы, в результате которого показано, что слоистообразная облачность и связанные с ней опасные явления

погоды оказывают серьезное влияние на все отрасли экономики.

Для устранения негативного влияния слоистообразной облачности i хозяйственную деятельность человека предлагается использовать средст] активного воздействия на атмосферные процессы и явления. В работе приведен классификации способов и методов модификации переохлаждённь слоистообразных облаков и туманов, а также технических средств их доставки диспергирования. Показано, что в настоящее время наибольшее применение практике модификации переохлаждённых облаков и туманов напп микрофизический способ, предусматривающий, в основном, методы, основаннь на применении хладореагентов (например, твёрдой углекислоты - СО; кристаллизующих реагентов (например, йодистого серебра - Agi) и жидко: пропана.

Анализ технических средств АВ на переохлаждённые облака и туман] изложенных в РД 52.11.637-2002 «Методические указания. Проведение работ г искусственному увеличению атмосферных осадков самолетными методами» и Р 52.11.646-2003 «Методические указания. Проведение работ по искусственное увеличению осадков из слоистообразных облаков» позволил сделать вывод о toi что для решения прикладных задач целесообразно использование самолётнь средств, оборудованных установками для диспергирования хладореагентс (твёрдой углекислоты, в частности), кристаллизующих реагентов (Agi, в частност] и установками для диспергирования жидкого азота.

С учётом появления средств модификации гидрометеорологических геофизических явлений и процессов, включая, прежде всего, и облачность, } современном этапе предлагается различать информационное и операционнс геофизическое (метеорологическое, гидрометеорологическое) обеспечение (ГФО).

Информационное ГФО (ИГФО) - снабжение в достаточном количесп геофизических служб (метеорологических, гидрометеорологических) информацие о состоянии окружающей среды и её влиянии на деятельность отраслей экономики.

Операционное ГФО (ОГФО) - совокупность целенаправленных действий операций по модификации окружающей среды с целью поддержания ( характеристик на уровне, обеспечивающем безопасную деятельность отрасле экономики.

Необходимо отметить, что информационное и операционное ГФ взаимосвязаны. Эта взаимосвязь проявляется в том, что для получения и обработк информации необходимо проводить операции (целенаправленные действия), а дт организации и проведения операций необходима информация о геофизическо ситуации.

Приводятся концептуально-методологические основы построения тезаурус (отраслевого словаря) по проблеме АВ на облака и туманы.

В заключение первой главы сформулированы основные задач диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена статистическому исследовани] характеристик слоистообразной облачности с целью ее модификации в интереса решения прикладных задач. Основным исходным материалом для выполнени настоящей работы являлись протоколы самолётного зондирования атмосфер (СЗА) ТАЭ-7,7м над пунктами Архангельск, Санкт-Петербург, Рига, Минск Хабаровск. Всего обработано свыше 12 тысяч подъёмов самолётов-зондировщико] Привлечение этих материалов объясняется тем, что достаточно надежные данные пространственной структуре облаков и их характеристиках можно получить тольк с помощью самолётов. Исследование характеристик облачности проводилос

отдельно для холодного (октябрь-март) и тёплого (апрель-сентябрь) полугодий, а также по сезонам (зима, весна, лето, осень).

В результате обработки материалов зондирования над выбранными пунктами в диссертации получены данные об относительной повторяемости облачности различных форм, о расслоённое™, фазовой структуре, повторяемости тёплой и переохлаждённой облачности, а также качественные оценки пригодности к модификации переохлаждённой слоистообразной облачности.

В результате обработки материалов зондирования установлено, что на повторяемость слоистых, слоисто-кучевых облаков, наблюдающихся самостоятельно, для северных и северо-западных районов России и сопредельных им государств (Латвия, Белоруссия) приходится в холодное полугодие от 36,1% до 55,0%, в тёплое - от 22,4% до 30,1%, соответственно. Для района Хабаровска повторяемость таких облаков в течение года составляет 21,5%.

Анализ данных, характеризующих повторяемость одно- и многослойной слоистообразной облачности над выбранными пунктами, убедительно свидетельствует о повсеместном преобладании однослойной облачности в течение всего года. Повторяемость таких облаков составляет во все сезоны года от 75 до 95% (в зависимости от сезона и района). Повторяемость двухслойных облаков не превышает, как правило, 5-25%.

Полученный в работе однозначный вывод о преобладающем наличии однослойной слоистообразной облачности имеет важное практическое значение, свидетельствующее о возможности проводить воздействие только на один слой, что несомненно увеличит вероятность выполнения задачи, например, по ее рассеянию.

Данные о фазовом состоянии облачности также имеют важное как научное, так и практическое значение, поскольку фаза облака входит в качестве одного из параметров в критерий пригодности слоистообразной облачности к модификации. Из анализа полученных в работе данных следует, что над северными и северозападными районами России и сопредельных с ними государств, слоистообразная облачность является чаще всего капельной. Так, повторяемость капельной облачности над районами Минска и Санкт-Петербурга во все месяцы года превышает 70,0%. Тенденция к преобладанию капельной фазы характерна также и для района Риги, за исключением февраля, когда на её повторяемость приходится 54,3%. Над районом Архангельска жидкокапельная фаза в облаках преобладает, главным образом, в тёплое полугодие (от 78,0 до 100,0%). Следует отметить, что для всех рассматриваемых районов характерно увеличение повторяемости капельной фазы от зимы к лету, что вполне закономерно объясняется ростом температуры в этот период.

Из полученных результатов также следует, что слоистообразные облака могут быть не только капельными, но и смешанными, особенно в месяцы холодного полугодия. Наибольшая повторяемость смешанной фазы в таких облаках наблюдается над Архангельском, составляя в ноябре - 41,1%, марте -45,9%, январе - 46,0% и феврале - 60,7%. Довольно значительные величины повторяемости смешанной фазы в слоистообразных облаках над районом Архангельска объясняются наличием в этом районе более низких отрицательных температур в холодное полугодие по сравнению с другими пунктами. Это обстоятельство указывает на зависимость фазового состояния облаков от температуры, проявляющуюся в том, что понижение последней увеличивает вероятность появления ледяных кристаллов. Так, согласно литературным данным, с понижением температуры концентрация кристаллов возрастает примерно в 10 раз

на каждые 4°С, причём изменение этой концентрации подчине! экспоненциальному закону. В остальных районах повторяемость смешанной фаз в таких облаках значительно ниже и, как правило, не превышает 20-30"! Исключение здесь составляет район Риги, где в феврале смешанная фаза в ш может встречаться в 45,7% случаев. Полностью кристаллическая слоистообразн, облачность над рассматриваемыми районами встречается крайне редко. Даже нг Архангельском такие облака наблюдаются не чаще, чем в 1,0% случаев.

Над районами Хабаровска капельные слоистообразные облака такл являются преобладающими (на их повторяемость приходится от 80 до 100°/( Вместе с тем можно видеть, что над этими районами они имеют более сложну фазовую структуру (по сравнению с центральными и северо-западными района№

России) - выделено пять типов (см. рисунок 1). % -

50-

30-

10-

_Г1

г-|

1--Н

i— 1

■-1

II III IV

тип фазовой структуры СО

I фаза - капельная; II фаза - капельная до Н, выше кристаллическая;

III - смешанная; IV фаза - смешанная до Н, выше кристаллическая;

V фаза - кристаллическая

Рисунок 1 - Повторяемость (%) фазового состояния слоистообразных облаков (г.

Хабаровск)

Поскольку на современном этапе наиболее разработанными и практическ внедренными являются методы и средства АВ на переохлажденные облака туманы, то возникает необходимость в получении данных о повторяемости теплы и переохлажденных слоистообразных облаков в различных физико-географически районах.

Применительно к рассматриваемым в работе районам такие даннь приведены на рисунках 2-3 и в таблице 1. Из них можно видеть, что чаще всег переохлажденные слоистообразные облака наблюдаются в месяцы холодног полугодия (и это вполне закономерно) с максимумом повторяемост] приходящимся на зиму (от 94,8 до 100% в зависимости от рассматриваемо! района).

Для района Хабаровска на повторяемость переохлажденной облачности течение года приходится от 15 до 75%.

Приведённые в работе данные о характеристиках слоистообразной облачности позволили получить количественные оценки пригодной к рассеяни] облачности. Пригодной к рассеянию считалась облачность удовлетворяющая следующим параметрам:

- толщина облачного слоя - не более 1000 м;

- средняя для облачного слоя температура воздуха - не выше минус 3°С;

- фазовое состояние - капельное или смешанное.

80' 604020-

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII месяцы

Рисунок 2 - Повторяемость (%) переохлаждённой слоистообразной облачности (г.

Хабаровск)

В качестве реагента для воздействия на облака предлагается использовать твердую углекислоту.

месяцы 1 - Минск; 2 - Рига; 3 - Санкт-Петербург; 4- Архангельск Рисунок 3 - Повторяемость (%) переохлаждённой однослойной слоистообразной

облачности

Таблица 1 - Повторяемость (%) переохлаждённой однослойной слоистообразн^ облачности

Пункт Сезон Полугодие Год

зима весна лето осень холодное тёплое

Архангельск 100,0 94,6 39,1 86,8 97,5 53,5 84,0

Санкт-Петербург 98,7 93,8 34,0 68,5 88,4 62,4 81,6

Рига 94,8 84,8 17,2 65,5 84,7 41,8 75,8

Минск 97,1 82,6 10,6 58,7 86,4 35,6 70,1

Из данных, представленных на рисунке 4 и в таблице 2, видно, что оценк пригодных к рассеянию переохлаждённых слоистообразных облаков достаточи высоки и составляют для европейских районов России и сопредельных с ней государств в холодное полугодие от 61,1 до 87,5%. Зимой оценки пригодност облачности к рассеянию самые высокие (от 75,0 до 95,9% в зависимости с района), при этом максимум повторяемости пригодных к рассеянию облаке наблюдается в январе-феврале.

Иная картина в отношении пригодности слоистообразной облачности рассеянию наблюдается над районами Хабаровска. Здесь пригодная модификации облачность наблюдается далеко не во все месяцы года. Полученные оценки свидетельствуют о том, что значения пригодности слоистообразно облачности к рассеянию составляют: в марте - 44,9%, апреле - 46,7%, мае - 15,4^-сентябре - 7,7%, ноябре - 71,4% и декабре - 22,2%.

Ценность полученных данных заключается в том, что они позволяют, не проводя экспериментов, определить возможность проведения работ в том или ином физико-географическом районе.

Рисунок 4 - Повторяемость (%) пригодной рассеянию переохлаждённой слоистообразной облачности

Таблица 2 - Повторяемость (%) пригодной к рассеянию переохлаждённой слоистообразной облачности

Пункт Сезон Полугодие

зима весна лето осень холодное тёплое

Архангельск 95,9 83,1 17,3 63,9 87,5 34,5

Санкт-Петербург 85,3 73,1 7,4 40,0 69,8 35,6

Рига 75,0 55,8 0,0 36,8 61,1 15,5

Минск 78,3 63,2 4,8 38,4 66,2 23,5

Третья глава диссертации посвящена разработке практических рекомендаций по применению методов и средств модификации переохлажденной слоистообразной облачности для операционного геофизического обеспечения различных отраслей экономики. Эти рекомендации включают в себя:

- перечень задач, связанных с рассеянием или просветлением слоистообразной облачности в целях обеспечения различных отраслей экономики;

- методику рассеяния переохлаждённой слоистообразной облачности;

- технологическую схему проведения операции по рассеянию переохлажденной слоистообразной облачности;

- способ расчёта водозапаса слоистообразной облачности по метеорологическим величинам.

Разработанная в диссертации методика рассеяния переохлаждённой слоистообразной облачности позволяет провести расчёт необходимых ресурсов для её осуществления. При этом процесс рассеяния облачности рассматривается в диссертации как сложная система управления геофизической средой.

В работе приводится структурно-функциональная схема процесса АВ на переохлажденную слоистообразную облачность, представленная на рисунке 5.

Экипаж самопета-разеедчика погоды

Руководитель аэродрома

Начальник группы МОДИФ ГФСР аэродрома

Объект управления (ПСО)

Вычислительная Техническая Измерительная

система (ВС) система (ТС) система (ИС)

Рисунок 5. - Структурно-функциональная схема процесса АВ на переохлажденную слоистообразную облачность 13

I - составление и передача прогноза облачности,

II - получение и передача данных фактического положения облачности,

III - принятие и передача решения по АВ на облачность,

IV - получение распоряжения по АВ на облачность,

V - получение и передача параметров атмосферы и облачности,

VI - разработка и передача технологической карты проведения АВ г облачность,

VII - проведение работ по АВ на облачность,

VIII - проведение анализа результатов АВ на облачность,

IX - передача анализов результатов АВ на облачность,

X - доклад результатов проведения АВ на облачность.

1 - суперсистема 3 - объект управления

2 - операционная система 4 - управляющий объект

Схема процесса рассеяния облачности составлена, исходя из предположения, что в штатное расписание аэродромных служб для специальных целей включено подразделение по проведению работ, связанных с АВ на облачность.

Методика расчета параметров операции по рассеянию облачности включае в себя II этапа. На I этапе проводится анализ данных о состоянии (прогноз! данных погоды в предполагаемом районе проведения активных воздействий к облака, на основе которых принимается решение о необходимости проведения модификации облачности в определенном районе с целью решения конкретной прикладной задачи. С учетом решаемой задачи и в соответствии с РД 52.11.6372002 и РД 52.11.646-2003, выбирается схема засева облачности. На основании данных о средней температуре облачного слоя (<°с/)0й1е1), направлении и скорости ведущего потока воздуха, определяется направление линий засева, расстояние между ними (£„,,, ) и принимается решение о выборе конкретного реагента для засева облачности. На основании данных о мощности облаков, необходимого времени и результата воздействия, делается вывод о выборе для засева облачности реагента, его количестве и числе засевающих самолетов.

На II этапе в соответствии с выбранной схемой засева облачности (например, приведённой на рисунке 6) проводится расчёт необходимых ресурсов в соответствии с формулами, представленными ниже.

Расчёт времени тL, требуемого на засев одной линии длиной /, определяется по формуле,

+ V (D

где vc - скорость самолёта; г р - время на разворот самолёта.

Расчёт длины линии засева для одного самолёта

/,=—. (2) 1 N„ w

где Nп - количество полос засева.

Определение количества линий засева (пя) для одного самолёта nt :

л =—, (3)

где трас - время рассеяния облачности.

Расчёт глубины зоны засева (d,) для одного самолёта

а, =1п„.

Расчёт количества самолётов, потребных для засева всей зоны,

N „

--»А-

где й - требуемая глубина зоны рассеяния. Расчёт зоны дозасева с!д

¿о =1/о

где тд - время дозасева.

Расчёт количества самолётов, потребных для дозасева,

я,

и общего количества самолётов ис = + Л^.

Расчёт суммарного расхода реагента 0 для всей операции 2 = <?/—-

(5)

(6)

(7) (В) (9)

где Ь - ширина зоны кристаллизации;

д - значения расхода твёрдой углекислоты при различных значениях АН

слоя.

Расчёт стоимости операции

С„=с^ + сс£(г„,+г„Л), (Ю)

где с - стоимость 1 кг реагента;

сс - стоимость 1 часа работы самолёта (горючее, зарплата персонала и др.); т,ю,ь ~ время подлёта к району проведения операции.

1 1 ' 1 1 1 ' 1 —н V к

1 1 1 ^ 1д ' 1 . к -►

1 -► <- -►

Рисунок 6 — Схема засева переохлажденной слоистообразной облачности с целью

её рассеяния

Нормы расхода твёрдой углекислоты (#с0,, г/км) при засеве переохлаждённой слоистообразной облачности выбираются с учётом толщины облачного слоя (см. таблицу 3).

Таблица 3 - Нормы расхода твёрдой углекислоты (цсо , г/км) при засеве переохлаждённой слоистообразной облачности

АН, м 200 250 300 350 400 450 500 550 600 >650

дса,г!км 100 150 200 250 350 450 550 700 800 1000

Предварительный расчёт необходимых ресурсов по рассеянию облачности выполняется с целью подготовки требуемых сил и средств. При этом используются прогностические значения параметров состояния атмосферы. Непосредственно перед проведением работ по АВ на облачность, расчёт необходимых ресурсов осуществляется с учётом уточнённых значений параметров состояния атмосферы, которые представляют собой данные измерений (наблюдений) и сверхкраткосрочные прогнозы. В ходе проведения работ по АВ на облачность осуществляется также уточнение данных о ветре по средствам самолётных и радиолокационных наблюдений. По этим данным выполняется коррекция маршрутов движения самолёта.

В работе приводится пример расчёта необходимых ресурсов по рассеянию облачности толщиной 700 м со средней температурой облачного слоя '"„й,с = -10°Сна площади размером 30x40 км2 в течение 3 часов. Расчёты показывают, что при использовании трёх самолётов Ан-12 (скорость полета самолета составляет 300 км/ч, время на разворот тр = 2мин), оснащенных средствами диспергирования твердой углекислоты, расход реагента составит не более 1 ООО кг. Стоимость же всей операции при 4 часах полёта 3-х самолётов Ан-12 с учётом стоимости часа аренды данного типа самолёта (1 час = 50 000 руб.), стоимости топлива (1 т керосина = 20 000 руб.) и стоимости твёрдой углекислоты (1 т = 12 000 руб.) составит при исходных данных не более 2,2 млн. руб.

С развитием работ по модификации облачности облаков возникает необходимость в оценке водозапаса облачности в различных физико-географических районах. Это обстоятельство выдвигает требование получения эмпирических способов расчета средней водности и водозапаса слоистообразных облаков по метеорологическим параметрам облачного слоя.

Исходя из этого, в диссертационной работе разработан способ косвенного определения водозапаса облачных систем (слоистых, слоисто-кучевых) без данных о водности, по метеорологическим величинам. Для выбора наиболее тесно связанных с водозапасом метеорологических величин проведен корреляционный анализ и рассчитаны коэффициенты корреляции между водозапасом слоистообразной облачности и: мощностью, высотами нижней и верхней границ, температурами на этих границах, температурой у поверхности земли. Для проведения корреляционного анализа были использованы результаты сетевого самолетного зондирования атмосферы, представленные в протоколах ТАЭ-7,7м над Архангельском за 1953-1964 гг.

Расчёты показали, что наиболее тесно водозапас слоистообразной облачности связан с мощностью облаков, при этом значения коэффициентов корреляции составляют 0,80-0,86 (в зависимости от сезона). На основании проведённых исследований построена графическая зависимость водозапаса облачности от толщины облачного слоя (см. рисунок 7). Практическая применимость данного графика вполне очевидна.

Следует отметить, что разработанный в диссертации способ расчета водозапаса СО применим только к района Архангельска. Для других районов необходимо получение аналогичных графиков.

1-осень, 2-лето, 3-весна, 4-зима

Рисунок 7 - Зависимость водозапаса ВСО от толщины облачного слоя (г. Архангельск)

Приведённые выше рекомендации по применению средств модификации слоистообразной облачности наряду с другими результатами исследований, полученными в диссертации, позволяют разработать структурную схему технологии таких работ для решения конкретной прикладной задачи. Технология АВ на слоистообразную облачность включает в себя следующие основные этапы:

1. Постановка задачи;

2. Прогнозирование состояния облачности;

3. Сбор, обработка и анализ фактических данных об облачности;

4. Сравнение фактических данных об облачности с прогностическими;

5. Оценка возможности проведения АВ на облачность;

6. Выбор методов и средств АВ на облачность;

7. Принятие решения по АВ на облачность;

8. Проведение АВ на облачность;

9. Оценка результатов АВ на облачность;

10. Контроль результатов АВ на облачность.

Следует отметить, что каждый этап, в свою очередь, включает в себя проведение ещё ряда определённых мероприятий. В диссертационной работе, конечно, не представляется возможным освещение в полном объёме всех этапов технологии модификации облачности. Тем не менее, полученные в диссертации результаты исследований могут быть использованы на различных этапах работ по модификации облачности (например, данные о расслоённое™, фазовой структуре, повторяемости облачности - на втором - пятом этапах). Приведённые в работе сведения о методах и средствах модификации облачности целесообразно использовать при выполнении шестого, седьмого и восьмого этапов. Разработанная методика рассеяния облачности по воздействию на облака - на седьмом и девятом этапах. Десятый этап, в частности, требует проведения дополнительных специальных исследований.

Определены перспективы и основные направления дальнейш. исследований в области модификации переохлаждённой слоистообразнс облачности и туманов.

Заключение

На основе проведённых исследований в диссертационной работе получен следующие основные результаты:

1. На основе выполненного системного анализа в области влияш облачности и туманов на деятельность различных отраслей экономики, обоснова! необходимость применения методов и средств модификации геофизической сред с целью исключения или значительного снижения отрицательного влияния таю атмосферных образований.

2. Приведён перечень основных геофизических процессов и явлений, к: возможных объектов модификации и выполнен анализ методов и средс воздействия на переохлаждённые слоистообразные облака и туманы.

3. По материалам ТАЭ-7,7м самолётного зондирования атмосферы н; пунктами Архангельск, Санкт-Петербург, Рига, Минск и Хабаровск исследован расслоённость, фазовая структура слоистообразной облачности и повторяемое переохлаждённой слоистообразной облачности. Показано, что повсеместно ш рассматриваемыми районами преобладает однослойная слоистообразн; облачность в течение года с жидкокапельной фазой.

4. Определён перечень прикладных задач (экологических и хозяйственны? решаемых при АВ на слоистообразную облачность. Показано, что при воздейств! на такую облачность, как с целью вызывания (интенсификации) осадков, так и целью рассеяния (стабилизации) облачного покрова, перечень таких задач мож быть обширен (борьба со смогами, очищение воздушных бассейнов ( загрязняющих примесей, проведение поисково-спасательных работ и др.).

5. Разработан способ расчёта водозапаса слоистообразной облачности н; северными районами России без данных об их водности. Для выбора велич! проведён корреляционный анализ и рассчитаны коэффициенты корреляции меж; водозапасом облачности и мощностью, высотой верхней и нижней грани температурами на этих границах, температурой у поверхности земли. Установлен что наиболее тесно водозапас облачности связан с толщиной облачного сл( (коэффициенты корреляции в этом случае составляют 0,80-0,86 в зависимости I сезона). Построен график и получены уравнения регрессии, позволяют) оперативно по данным о толщине облаков получать значения водозапа слоистообразной облачности, которые необходимы для решения конкретных зад; (определение норм расхода реагента, оценивание эволюции облаков пос. воздействия, расчёт возможного количества осадков при модификации облаков др.).

6. Обоснован подход к выбору реагентов для АВ на переохлаждённу слоистообразную облачность по базе данных о температурных и геометричесю характеристиках облаков. Показано, в частности, что с учётом полученных работе данных о толщине облачного слоя при засеве слоистообразной облачност как с целью рассеяния (стабилизации) облачного покрова, так и с целью вызывай] (интенсификации) осадков, целесообразно применять твёрдую углекислоту в ви. гранул диаметром 0,2-0,3 см. Приведённые в работе данные о температурнь характеристиках слоистообразной облачности (в частности, о средней д. облачного слоя температуре гср) позволяют сделать ряд выводов относителы

выбора реагентов, предлагаемых для засева облачности с целью их рассеяния. В силу довольно частого преобладания низких значений tcp в слоистообразных облаках (на повторяемость облачности с t ниже минус 9°С в зависимости от

района (Архангельск, Санкт-Петербург, Рига, Минск) России приходится от 53,7% до 61,9%, весной - от 36,0% до 47,7% и осенью - от 26,55 до 46,7%) зимой, весной и осенью наряду с используемыми в настоящее время С02, Agi, возможно и целесообразно также применение реагентов и с более низким (минус 9°С и ниже) порогом кристаллизации и твёрдой углекислоты (минус 4°С - минус 5°С), йодистого серебра (минус 5°С - минус 6°С), например, минералов природного происхождения (глина, монтмориллонит, каолинит и др.), которые являются дешёвыми, экологически чистыми и широко распространёнными в природе.

Над дальневосточными районами применение минералов природного происхождения для модификации слоистообразной облачности целесообразно только зимой. В переходные периоды (весной и осенью) над этими районами встречаются (и довольно часто, примерно в 20% случаев) слабопереохлаждённые облака, т.е. облака с t в диапазоне от нуля до минус 5°С, что указывает на

необходимость применения реагентов с температурным порогом действия выше, чем у используемых в настоящее время твёрдой углекислоты и, особенно, йодистого серебра.

7. Разработана структурная схема технологии АВ на переохлажденную слоистообразную облачность.

Показано, что такая технология включает в себя следующие основные

этапы:

1. Постановка задачи;

2. Прогнозирование состояния облачности;

3. Сбор, обработка и анализ фактических данных об облачности;

4. Сравнение фактических данных об облачности с прогностическими;

5. Оценка возможности проведения АВ на облачность;

6. Выбор методов и средств АВ на облачность;

7. Принятие решения по АВ на облачность;

8. Проведение АВ на облачность;

9. Оценка результатов АВ на облачность;

10. Контроль результатов АВ на облачность.

При этом каждый этап, в свою очередь, включает в себя проведение ещё ряда определённых мероприятий.

8. Разработан методический подход к использованию базы данных о метеорологических параметрах атмосферы различных регионов для проведения АВ с целью рассеяния переохлажденной слоистообразной облачности. Приведены результаты расчетов по расходу ресурсов (число самолетов, количество реагента, стоимость работ), потребных для проведения работ по рассеянию облачности с различными характеристиками в целях проведения поисково-спасательных работ на различных площадях. Приведен пример расчета затрат для рассеяния облачности толщиной 600 м и температурой облачного слоя минус 10°С. На время, равное трем часам, на площади 1200 км2 требуется привлечение 3х самолетов, расход - 1000 кг твердой углекислоты. Стоимость работы по рассеянию облачности составляет порядка 2,2 млн. руб.

9. Определены перспективы и основные направления дальнейхш. исследований в области модификации переохлаждённой слоистообразнс облачности и туманов.

10. Разработаны рекомендации по применению методов и средств АВ I переохлажденную слоистообразную облачность в интересах решения прикладны задач.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю., Чихонадских Е./ Состояние и перспективы работ по созданию системы экологического мониториш Вооруженных Сил Российской Федерации: состояние и перспективы исследовани // Сб. мат.Х1Х Всеросс. Межвуз. Научно-техн.конф. «Электромеханические внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов изделий». - Казань, 2007. - С. 265-268.

2. Шереметьев Р.В., Арзаманов Д.Н., Доронин А.П., Чихонадских Е.1 Существующие и перспективные методы создания искусственных облаков туманов для решения прикладных задач // Сб. мат.Х1Х Всеросс. Межвуз. Научн< техн.конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетическ!-установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контро.1 природной среды, веществ, материалов и изделий». - Казань, 2007. - С. 336-337.

3. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю. Повышение доступное! разведданных путем рассеяния облачности // Сб. мат. III Военно-научной коне Космических войск,- ВКА, 2007. - С. 60-63.

4. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю., Худяков Д.] Геофизические методы реабилитации воздушного бассейна атмосферы // Тез. до VI Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли». - ( Пб, 2008г. - С. 24-25.

5. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю., Худяков Д.Е. Рассеян! облачности на больших площадях с целью изменения радиационного режи\ атмосферы // Тез. док. VI Международной конференции «Естественные антропогенные аэрозоли».- С-Пб, 2008г. - С. 25-26.

6. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю., Худяков Д.Е. Создан! искусственных облаков и туманов и их влияние на радиационный режи атмосферы // Тез. док. VI Международной конференции «Естественные антропогенные аэрозоли».- С-Пб, 2008г. - С. 26-27.

7. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю., Парнышкс Н.Д.Основные направления работ по повышению качества аэрокосмическо] мониторинга окружающей среды // Сб. мат. XX Всеросс. межвуз. научно-тех конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетическ! установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контро.: природной среды, веществ, материалов и изделий». - Казань, 2008. - С. 243-245.

8. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Никульшин Б.Ю.Методы модифицирован! конвективных облаков для решения прикладных задач // Сб. мат. XXI Всерос межвуз. научно-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и метод контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». - Казань, 2009. - ( 128-130.

9. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Прохоренко П.А., Белевич М.Е Кильчанский Е.Е. Повторяемость облачности различных форм над рядом район!

России применительно к проблеме модифицирования // Тез. докл. "Экология и космос". - С-Пб., 2010. - С. 7

10. Шереметьев Р.В., Доронин А.П, Прохоренко П.А., Белевич М.В., Кильчанский Е.Е.Исследование расслоенности внутримассовой и фронтальной облачности над северными и северо-западными районами России применительно к проблеме модифицирования // Тез. докл. "Экология и космос".- С-Пб., 2010. - С. 8

П.Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Прохоренко П. А., Белевич М.В., Кильчанский Е.Е. Исследование фазового состояния фронтальной и внутримассовой слоистообразной облачности над северо-западными и северными районами России применительно к проблеме ее модифицирования // Тез. докл. "Экология и космос". - С-Пб., 2010. - С. 8

12. Доронин А.П., Белевич MB., Козлов В.Н., Шереметьев Р.В., Кильчанский Е.Е. Исследование фазового состояния внутримассовой и фронтальной облачности над Северо-Западным регионом России применительно к проблеме активных воздействий // Тр. ГГО. - 2010. - Вып. 561. - С. 242-265

П.Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Белевич М.В. Повторяемость облачности различных форм на рядом районов России применительно к проблеме модифицирования // Сборник статей "Экология и космос". - С-Пб., 2010. - С. 113116.

Н.Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Белевич М.В. Исследование расслоенности внутримассовой и фронтальной облачности над северными и северо-западными районами России // Сборник статей "Экология и космос".- С-Пб., 2010. - С. 117123.

15. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Кильчанский Е.Е. Исследование фазового состояния фронтальной и внутримассовой слоистообразной облачности над северными и северо-западными районами России применительно к проблеме ее модифицирования // Сборник статей "Экология и космос".- С-Пб., 2010. - С. 125136.

16. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Кильчанский Е.Е. Геофизические методы профилактики возникновения лесных пожаров и борьбы и ними // Сборник статей "Экология и космос". - С-Пб., 2010. - С. 137-144.

17. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Кильчанский Е.Е. Состояние и перспективы разработки способов и методов модифицирования переохлажденных слоистообразных облаков и туманов в интересах решения прикладных задач // Сборник статей "Экология и космос". - С-Пб., 2010. - С. 145-147.

18. Шереметьев Р.В., Белевич М.В., Ефременко А.Н. Исследование водности и водозапасов внутримассовых слоистообразных облаков над Северо-западным регионом России применительно к проблеме модифицирования // Сб. мат. XXII Всеросс. межвуз. научно-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».- Казань, 2010. - С.197-199.

19. Шереметьев Р.В., Белевич М.В., Ефременко А.Н. Исследование расслоенности фронтальной слоистообразной облачности над Северо-западным регионом России применительно к проблеме модифицирования // Сб. мат. XXII Всеросс. межвуз. научно-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»,- Казань, 2010. - С.214-217.

20. Шереметьев Р.В., Белевич М.В., Кильчанекий Е.Е. Исследование фазовс состояния фронтальной слоистообразной облачности над северными района». России применительно к проблеме модифицирования // Сб. мат. XXII Всерос межвуз. научно-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и мето,г контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».- Казань, 2010. С.223-229.

21.Шереметьев Р.В., Белевич М.В., Кильчанекий Е.Е.Основные направлен! изыскания льдообразующих реагентов для модифицирования переохлажденнь облаков и туманов // Сб. мат. XXII Всеросс. межвуз. научно-техн. кон «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установка струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной сред веществ, материалов и изделий». - Казань, 2010. - С.232-237.

22. Шереметьев Р.В., Белевич М.В., Кильчанекий Е.Е. Перечень хозяйственнь и экологических задач, решение которых возможно при модифицирован! переохлажденных слоистообразных облаков и туманов // Сб. мат. XXII Всерос межвуз. научно-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и MeTOi контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»,- Казань, 2010. С.237-238.

23. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Белевич М.В. Способ определен: водозапаса облаков по метеорологическим величинам в интересах решет прикладных задач // Сб. мат. XXII Всеросс. межвуз. научно-техн. кон «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установка струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной сред веществ, материалов и изделий». - Казань, 2010. - С.249-251.

24. Шереметьев Р.В., Доронин А. П., Белевич М.В.,Кильчанск1 Е.Е.,Никульшин Б.Ю., Парнышков Н. Д. Технология модифицирования облачное в интересах решения прикладных задач // Тез. докл. VII международш конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли».-С-Пб, 2010.-С.28

25. Шереметьев Р. В., Доронин А. П., Белевич М. В., Кильчанекий ЕЛ Никульшин Б.Ю., Парнышков Н. Д. Оценки пригодности слоистообразш облачности к рассеянию над рядом районов России // Тез. докл. V международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли». - С-П 2010,- С.27

26. Шереметьев Р.В., Доронин А.П., Белевич М. В., Кильчанекий Е. Е, Никульшин Б.Ю. Состояние и перспективы исследований в области разработ! методов и средств создания искусственных облаков и туманов // Тез. докл. V международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли».-С-П 2010.-С.29

27. Шереметьев Р.В. Учебный прибор по радиотехнике (Соавтор Дикарев В.И., Доронин А.П., Кузнецов В.А., Арзаманов Д.Н.) // Патент № 230201 Бюлл. № 18, опубликовано 27.06.2007)

28. Шереметьев Р.В. Учебный прибор по радиотехнике (Соавтор Дикарев В.И., Доронин А.П., Кузнецов В.А., Арзаманов Д.Н.) // Патент № 230201 Бюлл. № 18, опубликовано 27.06. 2007)

29. Шереметьев Р.В. Геофизический радиолакатор (Соавторы: Дикарев В.I Доронин А.П., Дрожжин В.В., Никульшин Б.Ю.) // Патент № 2375729, Бюлл. № 3 опубликовано 10.12. 2009 г.).

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Шереметьев, Роман Викторович

Перечень условных обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО ПРОБЛЕМЕ МОДИФИКАЦИИ ОБЛАЧНОСТИ И ТУМАНОВ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Системный анализ проблемы.

1.1.1 Влияние облачности и туманов на народно-хозяйственные объекты и деятельность человека, различные отрасли экономики.

1.2 Состояние вопроса в области разработки методов и средств модификации облаков и туманов.

1.2.1 Методы и средства модификации теплой внутримассовой слоистообразной облачности и туманов.

1.2.2 Методы и средства модификации переохлаждённой слоистообразной облачности и туманов.

1.3 Концептуально-методические основы построения тезауруса (отраслевого словаря) по проблеме модификации облаков и туманов.

1.4 Определение целей и задач исследования.

Выводы по 1 главе.

2. ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СЛОИСТООБРАЗНОЙ ОБЛАЧНОСТИ НАД РАЗЛИЧНЫМИ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИМИ РАЙОНАМИ РОССИИ И СОПРЕДЕЛЬНЫХ С НЕЙ ГОСУДАРСТВ.

2.1 Характеристика исходного материала и методика его обработки.

2.2 Расслоённость облачности.

2.3 Фазовая структура облачности.

2.4 Температурные и геометрические характеристики облачности.

2.5 Повторяемость переохлажденной и теплой слоистообразной облачности.

2.6 Оценки пригодности слоистообразной облачности к рассеяни.

Выводы по 2 главе.

3. МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОДИФИКАЦИИ СЛОИСТООБРАЗНОЙ ОБЛАЧНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ.

3.1 Обоснование перечня прикладных задач, решение которых целесообразно при модификации слоистообразной облачности.

3.1.1 Обеспечение взлета и посадки летательных аппаратов.

3.1.2 Решение задачи по проведению космической и авиационной аэрофотосъёмки.

3.2 Методика рассеяния переохлаждённой слоистообразной облачности в целях решения прикладных задач.

3.2.1 Процесс рассеяния переохлаждённой слоистообразной облачности как сложная система управления геофизической средой.

3.2.2 Методика расчета параметров операции по рассеянию переохлаждённой слоистообразной облачности.

3.3 Технологическая схема проведения операции по рассеянию слоистообразной облачности.

3.4 Способ расчёта водозапаса слоистообразной облачности по метеорологическим величинам.

3.5 Рекомендации по применению методов и средств модификации переохлаждённой слоистообразной облачности.

3.6 Основные направления дальнейших работ в области модификации переохлаждённых слоистообразных облаков и туманов.

Выводы по 3 главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методического подхода и рекомендаций по применению методов и средств модификации слоистообразной облачности для решения народно-хозяйственных и прикладных задач"

Совершенствование имеющихся и поиск новых путей активного воздействия на облака и туманы, разработка методологии, методических подходов и рекомендаций по применению разрабатываемых методов и средств модификации облачных сред была и остается важной задачей гидрометеорологии.

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом выполнено большое количество теоретических и экспериментальных работ в области воздействия на гидрометеорологические и другие геофизические процессы и явления. К разрабатываемым и исследуемым методам воздействия следует отнести: рассеяние переохлажденных и теплых облачных сред; регулирование осадков, в том числе из теплых конвективных облаков; создание искусственных облаков и туманов для управления погодой, защита растений от градобитий и заморозков и т.д. Вместе с тем можно отметить, что на современном этапе наиболее существенные результаты, применяемые, в том числе и на практике, получены в области воздействия на облака и туманы, главным образом, переохлажденные.

В России и бывшем Советском Союзе наиболее важные и значимые работы в области модификации облаков и туманов были проведены и проводятся в таких организациях, как: Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова, Центральная аэрологическая обсерватория, Институт экспериментальной метеорологии (ныне НПО «Тайфун»), Высокогорный геофизический институт, Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Среднеазиатский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Закавказский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Казахский научно-исследовательский гидрометеорологический институт. Среди учёных, внесших весомый вклад в развитии теоретических основ воздействия на облака и туманы, разработку химических и технических средств модификации атмосферных процессов и явлений, следует назвать Фёдорова Е.К., Залиханова М.Ч., Шишкина Н.С., Качурина Л.Г., Седунова Н.С., Серегина Ю.А., Плауде Н.О., Гайворонского И.И., Прихотько Г.Ф., Леонова М.П., Абшаева М.Т., Половина И.П., Корниенко Е.Е., Левина Л.Н., Вульфсона Н.И. и др. Из зарубежных учёных, достигших больших успехов в этом направлении, следует особо выделить: Венегера (Wegener А.), Бержерона (Bergeron Т.), Финдайзена( Findeisen W.), Воннегата (Vonnegut В.), Шеффера ( Schaefer V.J.), Мейсона (Mason В .J.), Дениса (Dennis V) и др.

Анализ работ по проблеме модификации переохлажденной слоистооб-разной облачности (МОДИФ ПСО ) показывает, что в России и в странах бывшего Советского Союза в течение последних двух-трех десятилетий выполнено значительное число теоретических исследований и натурных экспериментов по засеву ПСО с целью интенсифицирования (вызывания) осадков и рассеяния облачного покрова. В большей мере работы относятся к районам Украины [1-3] и в меньшей - к центральной части России [4-5], а также к районам Казахстана [67], средней Азии [8], Крыма [9] и Арктики [10]. Вместе с тем, развитие работ по МОДИФ облачности требует наличия сведений о пригодности облачности различных форм к воздействию и в других физико-географических районах (ФГР).

В качестве основного объекта МОДИФ в работе выбраны облака, а именно слоистые, слоисто-кучевые, наблюдающиеся над северными и северозападными районами Северо-западного региона и дальневосточными районами России самостоятельно и в сочетании с высоко-кучевой облачностью, так как она является наиболее часто встречающейся формой облачности над рассматриваемыми в диссертации районами и оказывающей серьезное влияние на многие сферы и отрасли деятельности человека. В дальнейшем для удобства изложения материала диссертации эти облака будем обозначать как слоистообразную облачность (СО). Интерес к выбору этой формы облачности обусловлен тем, что [11-20]: во-первых, СО и связанные с ней опасные явления погоды (низкая облачность, ухудшенная видимость, осадки, обледенение и т.д.) оказывают существенное влияние на народно-хозяйственные объекты и деятельность человека, различные отрасли экономики и наносят значительный материальный ущерб. Так, по данным [11], ежегодные потери авиакомпаний, связанные с влиянием туманов и низкой облачности составляют от 75 до 100 млн. долларов. во-вторых, СО характеризуется значительной повторяемостью над рассматриваемыми районами; в-третьих, методы и средства (МиС) МОДИФ СО на современном этапе являются наиболее разработанными и широко используются на практике; в-четвертых, применение МиС МОДИФ СО позволяет решать широкий перечень прикладных задач (военных, хозяйственных, экологических).

Среди всего перечня прикладных задач решаемых при использовании МиС МОДИФ СО, особо следует выделить задачу по рассеянию облачности. Это объясняется, прежде всего, стремлением ряда зарубежных государств (в частности, США) к получению информации с территории России. Наличие у ряда зарубежных стран, в частности США, реальных методов и средств модификации облачности (и, в первую очередь, переохлажденной) еще больше усиливает актуальность проблемы, связанной с рассеянием облаков и туманов различных форм [21-33].

Следует отметить также, что решение этой задачи может осуществляться как в интересах гражданских министерств и ведомств (МЧС, Департаментов речного, морского и воздушного транспорта и др.), так и в интересах Министерства обороны (МО) РФ. При этом важно отметить, что решение этой задачи актуально как в мирное время, так и в различные периоды военно-политической обстановки (угрожаемый период, военное время). Анализ работ в этом направлении показал, что рассеяние СО может осуществляться на больших площадях (тысячи, десятки тысяч квадратных километров). Это обстоятельство указывает на то, что противник, проведя засев облачности над своей территорией (в случае перемещения ее с его стороны), получит возможность обозревать с помощью дистанционных авиа- космических оптико-электронных средств разведки огромные территории сопредельных районов России. В связи с этим актуальной является задача по исследованию модификационного потенциала облачности в определенных физико-географических районах, разработке методик по рассеянию СО с использованием конкретных химических реагентов, а также по разработке предложений по созданию системы контроля над состоянием облачности в естественных и возмущенных условиях.

В силу вышеуказанного актуальность темы диссертационной работы определяется практической необходимостью совершенствования и разработки научно-обоснованных рекомендаций по применению МиС МОДИФ СО для решения народно-хозяйственных, в том числе важнейших прикладных задач.

Цель работы и направления исследований

Целью настоящей диссертационной работы является повышение качества метеорологического обеспечения отраслей экономики на основе разработки методического подхода и научно-обоснованных рекомендаций по АВ на слои-стообразную облачность для решения народно-хозяйственных и прикладных задач в различных географических районах страны с учетом климатических и метеорологических особенностей в регионах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Оценить влияние облаков и туманов на народно-хозяйственные объекты и деятельность человека в различных отраслях экономики.

2. Выполнить системный анализ в области разработки методов и средств АВ на облака и туманы в России и за рубежом.

3. Провести физико-статистический анализ слоистообразной облачности применительно к различным физико-географическим условиям России и сопредельных с ней государств, применительно к проблеме их модификации.

4. Оценить повторяемость тёплых и переохлаждённых слоистообразных облаков применительно к различным физико-географическим условиям России и сопредельных с ней государств.

5. Оценить пригодность к рассеянию переохлаждённой слоистообразной облачности над различными географическими районами России и сопредельных с ней государств.

6. Разработать рекомендации по использованию методов и средств АВ на переохлаждённую слоистообразную облачность и туманы в целях их рассеяния или создания зон просветления.

В качестве объекта исследования в работе выбрана слоистообразная облачность (слоистые, слоисто-кучевые облака, наблюдающиеся самостоятельно и в сочетании с высоко-кучевой облачности).

Предметом исследования являются:

- характеристики слоистообразной облачности;

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- на основе полученной в результате обработки материалов самолетного зондирования атмосферы ТАЭ-7,7м над выбранными в работе пунктами базы данных о температуре и мощности облачности разработан методический подход к выбору реагентов для АВ на слоистообразную облачность в интересах различных потребителей Теоретическая значимость полученных результатов состоит в дальнейшем развитии основ теории метеорологического обеспечения работ по воздействию на облака в различных физико-географических условиях. Научная и практическая значимость работы

- полученные в работе статистические данные о характеристиках слои-стообразной облачности (расслоённость, фазовая структура, температурные и геометрические характеристики облачности) могут быть использованы для уточнения моделей облачной атмосферы над выбранными районами;

- полученные в работе количественные оценки пригодности к рассеянию или усилению слоистообразной облачности позволяют, без предварительного проведения натурных экспериментов, оценить целесообразность и необходимость проведения работ по воздействию на слоистую облачность в конкретных физико-географических условиях;

Методы исследования: в работе использованы методы теории вероятности и математической статистики, теории эффективности целенаправленных процессов, физики атмосферы и метеорологии.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов исследований обусловлена аргументированностью исходных положений, логической непротиворечивостью рассуждений, а также корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с большинством результатов других авторов, фундаментальными теоретическими положениями и накопленным эмпирическим материалом

Результаты исследований реализованы в:

- Главной геофизической обсерватории имени А.И. Воейкова при разработке и обосновании «Перспективного плана работ ГГО им. А.И. Воейкова по модификации облачности на период 2009-2012 годы»;

- НПО «Тайфун» при разработке реагентов и технических средств АВ на облака и туманы;

- учебном процессе Казанского высшего артиллерийского командного училища (военного института) имени маршала артиллерии М.Н. Чистякова при чтении курсантам училища дисциплины «Экология».

- Высокогорном геофизическом институте при разработке и обосновании «Перспективного плана работ ВГИ по модификации облачности на период 2010-2012 гг.».

На защиту выносятся:

1. Физико-статистические модели слоистообразной облачности.

2. Оценки пригодности слоистообразной облачности к АВ с целью рассеяния или усиления.

3. Методика модификации переохлажденной слоистообразной облачности с целью рассеяния или усиления в интересах метеорологического обеспечения специальных, антитеррористических, спасательных и др. операций.

4. Рекомендации по практическому применению методов и средств АВ на переохлажденную слоистообразную облачность для решения народно-хозяйственных и прикладных задач.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является логическим продолжением исследований, выполненных сотрудниками ГГО им. А.И. Воейково, ЦАО, НПО « Тайфун», ВГИ, Укр.НИГМИ и др. в области физики облаков и связанных с получением статистических характеристик слоистообразной облачности применительно к проблеме её модификации в конкретных физико-географических районах в интересах решения прикладных задач. Соискатель убедительно показал возможность и целесообразность использования для проведения такого рода исследований материалов сетевого самолетного зондирования атмосферы ТАЭ-7,7м.

Личный вклад автора состоит в разработке физико-статистических моделей слоистообразной облачности (расслоённость, фазовая структура, температурные и геометрические характеристики и др.) над выбранными в диссертации пунктами зондирования, а также в создании методических рекомендаций по рассеянию переохлажденной слоистообразной облачности, основанных на полученной в диссертации базе данных метеоэлементов для выбранных в настоящей работе физико-географических районов. Соискателем разработан методический подход к физико-статистическому математическому обеспечению обработки и анализа данных о слоистообразной облачности, выполнена обработка материалов самолетного зондирования атмосферы и создана база данных измерений. Приведены научно - обоснованные рекомендации по применению методов и средств модификации переохлаждённых слоистообразных облаков для решения прикладных задач.

Под научным руководством к.ф.м.н. Иванова В.Н. соискателем были разработаны инженерные методы оценки и интерпретации данных о слоистообразной облачности. Выполнены расчеты пригодности слоистообразной облачности к АВ с целью рассеяния.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 6— Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли", (г. Санкт-Петербург, 7-10 октября 2008 года), Х1Х-ХХП Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях (май 2007 - май 2010 гг., Казань), III Военно-научной конференции Космических войск (23-24 января 2007 г., г. Санкт-Петербург), Межрегиональном научном семинаре "Экология и космос" (февраль 2010 года, г. Санкт-Петербург), 7-ой Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли-2010» (г. Санкт- Петербург, 28 сентября - 1 октября 2010 года), семинарах НПО « Тайфун» и ВГИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, из них 3 патента на изобретения.

Исследования, выполненные автором, явились составной частью научно-исследовательских работ по темам: «Разработка комплексного метода регулирования атмосферных осадков с использованием реагентов гигроскопического и кристаллизующего действия» Плана НИОКР Росгидромета», «Разработка и исследование методов активного воздействия порошкообразными гигроскопическими реагентами на конвективные облака с целью увеличения осадков с использованием УСУ «Комплекс модельных установок для исследования геофизических процессов» (сокращенное наименование: «Аэрозольный корпус») в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Шереметьев, Роман Викторович

Выводы

1. Определён перечень задач (экологических и хозяйственных), решаемых при модификации СО. Показано, что при воздействии на СО как с целью вызывания (интенсифицирования), так с целью рассеяния (стабилизации) облачного покрова перечень таких задач может быть обширен (обеспечение действий авиации, десантирование аварийных групп и техники, маскировка объектов, борьба со смогами, очищение воздушных бассейнов от загрязняющих примесей, проведение поисково-спасательных работ и др.).

2. Показано, что процесс рассеяния СО можно рассматривать как сложную систему управления геофизической средой. Разработана структурно-функциональная схема процесса модификации СО.

3. Разработана технологическая схема МОДИФ СО с помощью хладореа-гентов. Показано, что технология процесса МОДИФ включает в себя ряд этапов основными из которых являются следующие:

• уяснение боевой задачи;

• прогнозирование состояния СО;

• сбор, обработка и анализ фактических данных о СО;

• сравнение фактических данных о СО с прогностическими;

• оценивание возможности МОДИФ СО;

• выбор методов и средств МОДИФ СО;

• принятие решения на МОДИФ СО;

• проведение МОДИФ ГФПЯ;

• оценка результатов МОДИФ СО;

• контроль результатов МОДИФ СО;

4. Разработана методика рассеяния СО. Методика учитывает зависимость расхода реагента от водности и водозапаса, температуры облака. Выполнены расчеты по расходу ресурсов требующихся для проведения поисково-спасательных работ над районами различной площади и при различных характеристиках облачности. Так, например, для рассеяния СО толщиной 700 м и температурой облачного слоя минус 10°С на время, равное трем часам, на площади 1200 км2 требуется привлечение 3х самолетов, расход - 1000 кг твердой углекислоты. Стоимость такой операции составляет порядка 2,2 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведённых исследований в диссертационной работе получены следующие основные выводы:

1. Выполнено оценивание влияния облачности и туманов на хозяйственную и военную деятельность человека. Приведенные в работе качественные и количественные оценки такого влияния указывают на необходимость совершенствования гидрометеорологического и геофизического обеспечения деятельности отраслей экономики и Вооруженных Сил

2. Выполнен анализ проблем, связанных с геофизическим обеспечением деятельности различных отраслей экономики, и обоснована целесообразность использования для их решения методов и средств модификации геофизической среды) что обусловлено:

- экономической доступностью и технической реализуемостью МиС МОДИФ ГФСР;

- возможностью МОДИФ широкого спектра геофизических процессов и явлений в различных геосферах (лито-, гидро-, атмо-, космо-сферах);

- возможностью получения значительного экономического эффекта в результате применения МиС МОДИФ ГФПЯ (отношение затрат к доходу составляет 1:10 и более);

- возможностью расширения арсенала МиС решения экологических проблем за счёт включения в них МиС МОДИФ ГФПЯ;

- широкой апробацией на практике ряда МиС МОДИФ ГФПЯ (и прежде всего МиС МОДИФ облачности и туманов) и пр.

3. Выполнен анализ состояния и перспектив исследований в области разработки МиС МОДИФ ГФСР. Установлено, что исследования по данной проблеме охватывают все геосферы (лито-, гидро-, атмо-, космосфера). Современный уровень разработок МиС МОДИФ ГФПЯ чрезвычайно широк: от теоретических исследований как, например, в случае МОДИФ вулканической обстановки до оперативного применения как в случае, например, рассеяния облаков и вызывания осадков.

4. Показана необходимость создания тезауруса по проблеме исследований.

5. Выполнен анализ методов и средств модификации переохлаждённых слоистообразных облаков и туманов. Выявлено, что на современном этапе наиболее перспективным является использование неустойчивости переохлаждённых атмосферных образований, в которых при отрицательных (до минус 20°С, а иногда и при более низких температурах) вода находится в жидкой фазе. Стимуляция процессов конденсации водяного пара с последующей его кристаллизацией в переохлаждённых облаках достигается путём введения в них определённых химических веществ, приводящих либо к гомогенному, либо к гетерогенному образованию кристаллов льда. Применение таких веществ (прежде всего твёрдой углекислоты, йодистого серебра, фрологлюцина, пропана, жидкого азота, ацетилацетината меди) составляет сегодня основную группу МОДИФ ПСОБЛ и ПТУМ. Все другие группы способов МОДИФ переохлаждённых облаков и туманов (тепловой, механический, лазерный, электрический и прочие способы) широкого применения на практике не нашли. Для реализации химического способа МОДИФ ПСОТ к настоящему времени в нашей стране и за рубежом разработаны соответствующие технические средства, наземные и авиационные. В частности, в США ряд МиС МОДИФ ПСОТ (наземные пропановые установки, самолётные генераторы аэрозоли Agi, самолётные уг-лекислотные и пропановые установки, самолётная кассетная установка Suu-53/А, пиропатроны-генераторы типа WMU и т.д.) принят на вооружение армии США. Для их применения в ВВС сформированы метеоэскадрильи, общее число которых планируется до 20. Показана необходимость разработки МиС МОДИФ ПСОТ в диапазоне температур от минус 1 до минус 3°С, получения количественных оценок пригодности к МОДИФ ПСОБЛ в различных ФГР.

6. По материалам самолётного зондирования атмосферы ТАЭ-7,7м над пунктами Архангельск, Санкт-Петербург, Рига, Минск, Хабаровск исследована расслоённость, фазовая структура внутримассовой слоистообразной облачности и повторяемость переохлаждённых и тёплых СО. Установлено, что повсеместно над рассматриваемыми районами преобладает однослойная СО в течение всего года (от 65-70% до 80-90% в зависимости от района).

7. Показано, что в течение года над северными, северо-западными и центральными районами России преобладают СО с жидкокапельной фазой. Так, в холодное полугодие на повторяемость СО с такой фазовой структурой приходится над районами Архангельска - 64,5%, Санкт-Петербурга - 86,4%, Рига - 84,4%, Минск -72,4%, в тёплое - 92,4%, 94,6 96,5% и 98,5% соответственно.

Над дальневосточными районами жидкокапельная фаза в СО также преобладает во все сезоны года, за исключением зимы, когда чаще всего наблюдаются СО с кристаллической фазой (78,6%). Над районами Хабаровска помимо СО с капельной и смешанной фазами встречаются также и облака с гораздо более сложной фазовой структурой (впервые выявлено 5 типов фазовой структуры СО).

8. Установлено, что над северными, северо-западными и центральными районами России переохлаждённые однослойные СО чаще всего наблюдаются в холодное полугодие с максимумом повторяемости, приходящимся на зиму (от 61,5% до 100% в зависимости от района).

Над районами Хабаровска переохлаждённые однослойные СО наблюдаются не во все месяцы. Так, на повторяемость таких СО над этими районами приходится в марте - 44,4%, апреле - 60,6%, мае - 19,2%, сентябре - 11,8%, октябре - 30,8%, ноябре - 50,0% и декабре - 22,2%.

9. Определён перечень задач (экологических и хозяйственных), решаемых при модификации СО. Показано, что при воздействии на СО как с целью вызывания (интенсифицирования), так и с целью рассеяния (стабилизации) облачного покрова перечень таких задач может быть обширен (обеспечение действий авиации, десантирование войск и техники, маскировка военных объектов и войск, борьба со смогами, очищение воздушных бассейнов от загрязняющих примесей, проведение поисково-спасательных работ и др.).

10. Разработан косвенный метод определения водозапасов СО над северными районами России без данных об их водности. Для выбора наиболее тесно связанных с водозапасом СО метеорологических величин проведён корреляционный анализ и рассчитаны коэффициенты корреляции между водозапасом СО и: мощностью, высотой верхней и нижней границ, температурами на этих границах, температурой у поверхности земли. Установлено, что наиболее тесно водозапас СО связан с толщиной облачного слоя (значения коэффициентов корреляции в этом случае составляют 0,80-0,86 в зависимости от сезона). Построен график и получено уравнение регрессии, позволяющее оперативно, по данным о толщине облаков, получать значения водозапасов СО, которые необходимы для решения конкретных задач (определения норм расхода реагента, оценивание эволюции облаков после воздействия, расчёт возможного количества осадков при МОДИФ и др.).

11. Обоснован подход к выбору химических реагентов для модификации переохлаждённой СО с учётом данных о температурных и геометрических характеристиках облаков. Показано, в частности, что с учётом полученных в работе данных о толщине облачного слоя при засеве СО как с целью рассеяния (стабилизации) облачного покрова, так и с целью вызывания (интенсифицирования) осадков целесообразно применять твёрдую углекислоту в виде гранул диаметром 0,2-0,3 см.

Приведённые в работе данные о температурных характеристиках СО (в частности, о средней для облачного слоя температуре t ) позволяют сделать ряд выводов относительно выбора химических реагентов, предлагаемых для МОДИФ СО с целью их рассеяния. В силу довольно частого преобладания низких значений t СО (на повторяемость СО с tcp ниже минус 9°С в зависимости от района (Архангельск, Санкт-Петербург, Рига, Минск) России приходится от 53,7% до 61,9%, весной - от 36,0% до 47,7% и осенью - от 26,55 до 46,7%) зимой, весной и осенью наряду с используемыми в настоящее время С02, Agi, возможно и целесообразно также применение химических реагентов и с более

160 низким (минус 9°С и ниже) порогом кристаллизации и твёрдой углекислоты (минус 4°С — минус 5°С), йодистого серебра (минус 5°С - минус 6°С), например, минералов природного происхождения (глина, монтмориллонит, каолинит и др.), которые являются дешёвыми, экологически чистыми и широко распространёнными в природе.

Над дальневосточными районами применение минералов природного происхождения для МОДИФ СО целесообразно только зимой. В переходные периоды (весной и осенью) над этими районами встречаются (и довольно часто, примерно в 20% случаев) слабопереохлаждённые СО, т.е. облака с 1ср в диапазоне от нуля до минус 5°С, что указывает на необходимость применения химических реагентов с температурным порогом действия выше, чем у используемых в настоящее время твёрдой углекислоты и, особенно, йодистого серебра.

12. Разработана структурная схема технологии модификации СО.

Показано, что технология модификации облачности включает в себя следующие основные этапы:

- уяснение боевой задачи;

- прогнозирование состояния СО;

- сбор, обработка и анализ фактических данных о СО;

- сравнение фактических данных о СО с прогностическими;

- оценивание возможности МОДИФ СО;

- выбор методов и средств МОДИФ СО;

- принятие решения по МОДИФ СО;

- проведение МОДИФ СО;

- оценка результатов МОДИФ СО;

- контроль результатов МОДИФ СО.

При этом каждый этап, в свою очередь, включает в себя проведение ещё ряда определённых мероприятий.

13. Разработана методика рассеяния СО. Приведены результаты расчетов по расходу ресурсов (число самолетов, количество реагента, стоимость работ), потребных для проведения операций по рассеянию СО с различными характеристиками в целях проведения поисково-спасательных работ на различных площадях. Установлено, например, что для рассеяния СО толщиной 700 м и температурой облачного слоя минус 10°С на время, равное трем часам, на площади 1200 км2 требуется привлечение 3х самолетов, расход - 1000 кг твердой углекислоты. Стоимость такой операции составляет порядка 2,2 млн. рублей.

14. Определены перспективы и основные направления дальнейших исследований в области модификации переохлаждённых слоистообразных облаков и туманов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Шереметьев, Роман Викторович, Обнинск

1. Половина И.П. Рассеяние переохлаждённых слоистообразных облаков и туманов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 214 с.

2. Половина И.П. Воздействия на внутримассовые облака слоистых форм. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 215 с.

3. Леонов М.П., Перелёт Г.И. Активные воздействия на облака в холодное полугодие. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. — 152 с.

4. Литвинов И.В. Возможности искусственного преобразования облаков и осадков центрального района Европейской территории Советского Союза // Труды ИЭМ. 1970. - Вып. 19. - С. 27-49

5. Литвинов И .В., Р ужейникова Ю.В. Повторяемость в Подмосковье облаков, пригодных для искусственного преобразования // Труды ИЭМ. 1968. - Вып. 3. - С. 35-43

6. Беляев В.И., Павлова Н.С. О возможности влияния на погоду искусственным рассеянием облачности// Изв. АН СССР, серия геофизическая.-М.: 1962. № 1.-С. 129-132

7. Александров Э.Л. Опыты по рассеянию переохлаждённой облачности на больших площадях // Труды ИПГ. 1965. Вып. 1. - С. 12-18

8. Джураев А.Д., Курбаткин Е.П., Ушинцева В.Ф. Облачные ресурсы и возможности увеличения осадков в Средней Азии // Труды САР. -1977. Вып. 46 (127). 55с.

9. Вяльцев В.В. Искусственное рассеяние облаков // Природа. — 1961. -№ 11.-С. 79-83

10. Воскресенский А.И. Применение твёрдой углекислоты для рассеивания облаков в Арктике // Проблемы Арктики. 1957. - Вып.2. - С. 133-139

11. Доронин А.П. Вводная лекция по дисциплине "Специальные методы исследования геофизических процессов". С-Пб.: ВИКА им. А.Ф. Можайского, 1998. - 65 с.

12. Астапенко П.Д., Баранов A.M. Авиационная метеорология. М.: Транспорт, 1979.— 263 с.

13. Астапенко П.Д., Баранов A.M., Шварев И.П. Погода и полёты самолётов и вертолётов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. —279 с.

14. Баранов A.M. Облака и безопасность полётов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983.-231 с.

15. Доронин А.П., Ефременко А.Н., Шереметьев Р.В. и др. Перечень хозяйственных и экологических задач, решение которых возможно при модифицировании переохлаждённых слоистообразных облаков и16

Информация о работе

Шереметьев, Роман Викторович
кандидата физико-математических наук
Обнинск, 2010
ВАК 25.00.30

Диссертация

Разработка методического подхода и рекомендаций по применению методов и средств модификации слоистообразной облачности для решения народно-хозяйственных и прикладных задач - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы