Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние термических и динамических факторов атмосферы на эффективность искусственного увеличения осадков из конвективных облаков

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Закинян, Роберт Гургенович, Ставрополь

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Ставропольский научно-производственный геофизический центр

На правах рукописи УДК 551.509 ^ /7

Закинян Роберт Гургенович

Влияние термических и динамических факторов атмосферы на эффективность искусственного увеличения осадков из конвективных облаков

11.00.9. - метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: Абшаев М.Т., доктор физ.-мат. наук, профессор

Атабиев М.Д. кандидат физ.-мат. наук

Ставрополь 1999

Содержание

стр.

Введение..........................................................................................................................4

Глава 1. Аналитический обзор математических методов оценки

эффективности активных воздействий на облака в работах по искусственному увеличению осадков

1.1.Основные результаты проектов по искусственному увеличению осадков (ИУО). 9

1.2. Физические основы искусственного увеличения осадков....................................11

1.3. Физико-статистический подход к задаче оценки физического эффекта воздействия в работах по ИУО...............................................................................13

1.4. Математические модели облаков, применяемые в работах по ИУО....................19

1.5. Характеристики приземного слоя атмосферы, влияющие на развитие облачной

конвекции.................................................................................................................24

1.6. Изменение характеристик перемещающейся по вертикали массы влажного воздуха......................................................................................................................26

1.7. Критерии устойчивости атмосферы в адиабатической модели конвекции. Колебательные процессы в атмосфере....................................................................30

1.8. Анализ существующих моделей конвекции...........................................................34

1.9. Влияние вовлечения окружающего воздуха на изменения параметров облака.39

1.10. Пробивание задерживающих слоев конвективными облаками..........................42

Глава 2. Оценка физической и экономической эффективности работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае

2.1. Оценка физического эффекта воздействия работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае. Режим осадков опытных (ОТ) и контрольных (КТ) территорий....................................................................................46

2.2. Физико-статистическая модель "урожай-осадки" для территории Ставропольского края..............................................................................................59

2.3. Оценка экономической эффективности работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае..........................................................66

Глава 3. Исследование влияния параметров подоблачного слоя атмосферы на эффективность ИУО

3.1. Влияние характеристик приземного слоя на развитие облачной конвекции.....76

3.2. Учет влияния орографии на естественное развитие конвективных облаков при оценке эффекта воздействия в работах по ИУО в Ставропольском

крае.........................................................................................................................78

3.3. Облачная конвекция при постоянном влажноадиабатическом градиенте температуры.............................................................................................................80

3.4. Оценка эффекта воздействия в адиабатических моделях конвекции.................81

3.5. Условие возникновения конвекции........................................................................86

3.6. Колебательные режимы в атмосфере ...........................................................89

Глава 4. Исследование влияния вовлечения окружающего воздуха в облако на эффективность ИУО

4.1. Влияние вовлечения окружающего воздуха на динамику конвективного потока.......................................................................................................................92

4.2. Оценка эффекта воздействия с учетом перемешивания с окружающим воздухом..................................................................................................................94

4.3. Частные аналитические решения классической задачи теории конвекции........96

4.4. Влажнонеадиабатическая конвекция термика при постоянном показателе вовлечения..............................................................................................................105

4.5. Неадиабатическая конвекция сухого (или влажного ненасыщенного) воздуха

при переменном показателе вовлечения............................................................107

4.6. Анализ устойчивости атмосферы в неадиабатической модели конвекции. Колебательные процессы в атмосфере...............................................................111

4.7. Оценка эффекта воздействия в неадиабатических моделях конвекции.........115

Глава 5. Метод расчета водности и количества осадков

5.1. Метод расчета водности и количества осадков по данным радиозондирования................................................................................................117

5.2. Определение уровня конвекции и максимальной скорости восходящих потоков во влажноадиабатической модели конвекции...............123

5.3. Определение оптимального уровня внесения реагента......................................129

5.4. Уточнение критерия устойчивости атмосферы в методе слоя с учетом нелинейного профиля температуры воздуха, поднимающегося по влажной адиабате..................................................................................................................131

Глава 6. Оперативная одномерная модель конвективного облака, используемая в работах по искусственному увеличению осадков

6.1. Критический радиус зародыша новой фазы.........................................................134

6.2. Начальная стадия конденсации............................................................................135

6.3. Скорость падения частицы осадков с учетом конденсации..............................137

6.4. Расчет коэффициента турбулентности............................................................,...141

6.5. Система уравнений конвективного облака..........................................................142

6.6. Метод оценки эффекта воздействия при проведении работ по ИУО с применением радиолокационных данных.............................................................151

6.7. Исследование возможности пробивания задерживающих слоев конвективными облаками в естественных условиях и в результате

активного воздействия...........................................................................................160

Заключение.............................................................................................................170

Список литературы................................................................................................173

Приложение.............................................................................................................182

Введение

В настоящее время в мире осуществляется около 60 научно-исследовательских и оперативных проектов по искусственному увеличению осадков (ИУО), проводимых в различных странах мира - России и бывших республиках СССР, Австралии, США, Канаде, Израиле, Италии, Индии, Китае, - что свидетельствует о значительном интересе к проблеме ИУО и ее практической значимости [15, 16, 22, 27, 30, 31, 32, 54, 65-71, 73, 74, 76, 86-87, 97, 107, 123, 124, 126, 127, 131, 136, 138, 147, 149-159, 163-192].

Уже в первых экспериментах по ИУО обнаруживались как положительные опыты, приводящие к увеличению осадков, так и отрицательные, приводящие к уменьшению осадков. Некоторые же эксперименты свидетельствовали об отсутствии какого-либо эффекта [149,172,173,180,181]. Такое противоречие в выводах об эффекте воздействия поставило в тупик многих исследователей. Стали вызывать сомнения методы планирования экспериментов и используемые методы оценок результатов опытов по воздействию. Сложность заключается в том, что отсутствует модель облака, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать количество осадков, выпадающих из облаков без воздействия. Возникает вопрос о том, не является ли обнаруженное в опытах увеличение осадков следствием только лишь изменчивости естественных процессов осадкообразования [115].

Анализ проектов по ИУО показывает, что в работах по активному воздействию (АВ) имеется ряд нерешенных проблем, относящихся к планированию экспериментов, статистической оценке их результатов, к выбору ситуаций, благоприятных для воздействия. То есть существуют факторы, действия которых до настоящего времени все еще не ясны и, тем не менее, они влияют как на сам эффект воздействия, так и на оценку его величины. Главная трудность заключается в том, что осадки подвержены значительным естественным пространственно-временным колебаниям и задача оценки эффекта воздействия сводится к выделению малых возмущений на фоне значительных естественных вариаций, так называемых шумов.

Незнание факторов, влияющих на естественный ход параметров облака и изменчивость осадков может устранить рандомизация. Однако, статистические выводы, сделанные на основе рандомизации относятся лишь к обследованной совокупности экспериментальных единиц. То есть, если данное приращение осадков значимо в одном эксперименте, то отсюда не следует, что оно будет значимо в последующем [26, 57,115]. Кроме того, при применении статистических методов оценки эффективности воздействия возникает проблема множественности статистических выводов [65-70]. Она состоит в том, что из всего множества статистических методов всегда найдутся такие, которые дадут положительный эффект воздействия и такие, которые дадут отрицательный эффект воздействия. Выход из этой ситуации состоит в том, чтобы исходя из физических предпосылок, объявлять способы оценок до начала эксперимента.

Простейшим способом уменьшения изменчивости является классификация -подразделение выборки изучаемых облаков на группы более или менее однородные по некоторым признакам (внутримассовые и фронтальные облака; синоптическая ситуация; характерные параметры облака - высота, температура на нижней и верхней границах и т.д.) [66]. Однако и этот путь не устраняет неоднозначности в экспериментах, так как при этом выпадают из поля зрения физические факторы, влияющие как на развитие облачности, так и на результат воздействия.

При оценке эффекта воздействия на облака с целью ИУО на территории Ставропольского края с 1986 года применялся метод контрольных территорий. Данный метод основан на том, что по многолетним данным об осадках по наземной осадкомерной сети устанавливалась корреляционная зависимость между осадками

исследуемых территорий (опытной и контрольной) за годы до проведения АВ. По отклонениям ожидаемых (расчетных) и фактических осадков в год АВ, определялось дополнительное количество осадков - физический эффект. Однако данный метод не чувствителен к осадкам из отдельных облаков, т.е. дополнительное количество осадков из отдельных облаков может быть не зафиксировано осадкомерной сетью. Фактический же эффект воздействия "размазывается" по всей территории и сезону АВ. Кроме того, применение различных концепций воздействия на облака - микрофизический и динамический засевы - при различных состояниях атмосферы и облака также приводят к неоднозначности оценок результатов воздействия. Следует отметить, что заказчика, в роли которого может выступать конкретный район Ставропольского края, интересует не эффективность работ по ИУО во всем крае за год или более, а непосредственно для конкретного района и за небольшой промежуток времени (один или два месяца). Также работы по метеозащите городов требуют разработки методов оценки эффективности работ по ИУО локально во времени (день, два) и в пространстве (город, место проведения мероприятий). Поэтому необходимо проведение комплексных исследований по выявлению локальных эффектов и количественная и качественная оценка их влияния на эффективность ИУО из конвективных облаков.

В этой связи оценку эффекта воздействия статистическими методами необходимо проводить одновременно с учетом влияния термических и динамических факторов (характеристик приземного и подоблачного слоя, орографии при различных синоптических ситуациях, вовлечения окружающего воздуха, задерживающих слоев и т.д.), что значительно повысит точность и устойчивость статистических оценок. Таким образом, решение этих проблем является актуальным и связано с разработкой методов оценки эффекта воздействия в работах по ИУО, учитывающих влияние термических и динамических факторов атмосферы на эффективность ИУО, определением условий применения различных концепций воздействия.

Целью работы является исследование эффективности искусственного увеличения осадков из конвективных облаков, влияние на нее термических и динамических факторов атмосферы, разработка модели конвекции, позволяющей осуществлять оперативный прогноз пригодности атмосферы к проведению работ по ИУО, выбирать оптимальную стратегию воздействия.

Для достижения цели решались следующие задачи:

- разработка модели конвекции, учитывающей влияние термических и динамических факторов, позволяющей осуществлять оперативный прогноз пригодности атмосферы к проведению работ по ИУО по данным аэрологического и авиационного зондирования, рассчитывать параметры облака до и после АВ;

- разработка метода оценки физической эффективности работ по ИУО в реальном масштабе времени с применением радиолокационных данных;

- исследование влияния параметров приземного и подоблачного слоя (дефицит точки росы, перегрев, стратификация температуры, градиент массовой доли водяного пара и т.д.) на развитие облачной конвекции и эффективность ИУО;

- исследование влияния вовлечения окружающего воздуха на эффективность воздействия;

- исследование возможности "пробивания" задерживающих слоев конвективными облаками в естественных условиях и при активном воздействии;

- оценка эффективности работ по ИУО в Ставропольском крае за годы проведения АВ с 1986 по 1997 гг.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана теоретическая модель конвекции, позволяющая осуществлять в реальном масштабе времени оперативный прогноз пригодности атмо-

сферы к АВ с целью ИУО из конвективных облаков, выбирать стратегию АВ, оценить физический эффект АВ и ожидаемое количество осадков с учетом влияния термических и динамических факторов атмосферы, диагноза фактических результатов засева. Модель позволяет оценить локальный физический эффект воздействия на облака с целью ИУО, в отличие от существующих статистических методов оценки по контрольным территориям, когда эффект воздействия "размазывается" в пространстве и во времени. Модель применяется в оперативной практике АВ в Ставропольском крае.

2. Исследовано влияние параметров подоблачного слоя атмосферы на эффективность воздействия. Показано, что для возникновения приземной конвекции необходимо, чтобы градиент массовой доли водяного пара был больше критического значения, определяемого термодинамическими параметрами атмосферы. Получены критические значения дефицита точки росы у земли, определяющие развитие облачной конвекции на уровне конденсации.

3. Исследовано влияние вовлечения в облако окружающего воздуха на эффект воздействия в работах по ИУО. Разработан алгоритм расчета характеристик восходящего потока с учетом вовлечения окружающего воздуха. Показано, что вовлечение окружающего ненасыщенного воздуха приводит к тому, что воздействие на облака, с высотой больше некоторого критического значения, определяемого термодинамическими параметрами атмосферы, приводит к уменьшению количества выпадающих осадков, а воздействие на облака, с высотой меньше критического значения, приводит к увеличению осадков.

4. Показано, что подъем облака в результате АВ зависит от высоты внесения реагента. При оптимальной высоте внесения реагента обеспечивается максимальная высота подъема облака и максимальная эффективность в результате АВ.

5. Исследовано влияние задерживающих слоев на эффективность воздействия при ИУО. Получены критерии "пробивания" задерживающих слоев конвективными облаками.

6. На основе установленных корреляционных зависимостей осадков и урожайности контрольной и опытной территорий, а также разработанной модели "урожай-осадки" проведена статистическая оценка физической и экономической эффективности работ по ИУО в Ставропольском крае. Показано, что в среднем увеличение осадков за сезон работ составляет 15 % к норме осадков. Средний ежегодный экономический эффект этих работ составляет около 120 тыс. тонн дополнительного урожая зерновых культур.

Практическая ценность работы

Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, выполнены в соответствии с общегосударственными научно-техническими программами ГКНТ, планами НИР ЦНТП-3 и ЦНТП-5 Росгидромета (темы: 111.1.1; 111.1.3;: 1.5.1.1, 1.5.1.3, 1.5.1.7), предусматривающих разработку и внедрение в народное хозяйство методов активных воздействий и оценку их эффективности.

Разработанная модель конвекции, учитывающая влияние термических и динамических факторов, прошла апробацию при проведении производственных работ по ИУО в Ставропольском крае.

Предложенные методы оценки эффективности ИУО вошли во "Временные методические указания по планированию, организации и проведению работ по ИУО".

Применение предложенных новых методических указаний позволило провести оперативно-производственные работы по ИУО с целью повышения урожайности озимой пшеницы в Ставропольском крае и получить средний ежегодный экономиче-

ский эффект этих работ око