2.6 Разработка рекомендаций по использованию результатов НИР при создании научно-образовательных курсов
1. Результаты полученные в НИР «Изучение взаимосвязи процессов облако- и осадкообразования с электрическими явлениями в конвективных облаках активно-пассивными радиотехническими средствами» вошли в подготовленный авторами: Аджиев А.Х., Шогенова М.М. пособие по геофизике «Атмосферное электричество». Пособие предназначено для студентов специальности 01.0701 – «Физика», изучающих курсы «Геофизика», «основы геофизики и экологии». План издания пособия II квартал 2011г. Некоторые результаты исследований по теме НИР использованы при подготовке учебно-методического пособия «Экономико-математическое моделирование в землеустройстве», авторы: Аджиева А.А., Андриевская В.Ю., Кондратьева Н.В. При выполнении работ по НИР в летний период сбора грозорегистрационной информации с выплатой заработной платы участвовали следующие студенты 2 курса ТРТИ ЮФУ: Кузьмин В.А., Муратов И.А., Панченко А.Г. Студенты 4 курса КБГУ: Газов М.В., Джулабов С.Х., Казаков М.М., Казиев М.А.
Результаты НИР используются в следующих научно-образовательных курсах КБГУ:
спецкурс (лекции) «Теория облачных процессов», лектор – профессор Аджиев А.Х.;
спецкурс (лекции) «Статистические методы в геофизике», лектор – профессор Аджиев А.Х.; «Теория облачных процессов» (лабораторные), преподаватель доцент Аджиева А.А.;
проведение лабораторных работ по атмосферному электричеству – преподаватель НС Дорина А.Н.
Некоторые материалы, полученные в ходе выполнения НИР, использованы Зашакуевым З.Т. при выполнении диссертационной работы «Исследование прозрачности атмосферы в горных условиях в ультрофиолетовом диапазоне электромагнитных волн». Защита состоялась 17 сентября 2010г.
Глава 3 Публикации результатов НИР
УДК 551.5
Многопунктная система
грозорегистрации на Северном Кавказе
Аджиев А.Х., Князева З.М.
Кабардино-Балкарский госуниверситет, г. Нальчик
Грозовые процессы сопровождают многие опасные атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт [1]. Применение дистанционных методов обнаружения гроз (РЛС различных диапазонов радиоволн, системы и датчики типа ALDF, LDAR, SAFIR, OLS, LIS и др.) показало, что электрические процессы в облаке являются индикаторами не только его существенной микрофизической перестройки, но и предшествуют опасным явлениям погоды [2]. Фактически грозовые процессы являются предвестниками (предикторами) стадий и тенденций развития опасных гидрометеорологических явлений в атмосфере. К таким предикторам можно отнести: начало развития в облаке облачных и наземных разрядов, интенсивность разрядов в единицу времени, значения амплитуды тока молний, время нарастания волны тока, знак разряда молнии, местоположение разрядов в облаке и т.д. Например, резкое увеличение интенсивности внутриоблачных разрядов в облаке до 60 р/мин свидетельствует, что через 10–15 мин. возникнет торнадо или через 5–10 мин сформируются шквалы, опасные для авиации. Реверс полярности молний, преимущественно с отрицательной на положительную, свидетельствует о начале периода формирования градовых частиц в облаке и начале их выпадения и обратно после окончания градоопасной стадии [3].
Существующая в настоящее время в России система штормооповещения об опасных явлениях (грозы, град, ливни и др.) погоды основана на использовании метеорологических радиолокаторов различных типов [4]. Эти явления представляют значительную опасность для жизнеобеспечения человека. В их основе лежат микрофизические процессы: образование капель воды, замерзание водяных капель. Рост замерзших капель, образование градин. Их рост, столкновение облачных частиц из-за турбулентных процессов и т.д. – все эти процессы сопровождаются разделением электрических зарядов, формированием заряженных областей в облаке, разрядными явлениями и т.д. На основе регистрации этих процессов можно контролировать местоположение потенциально опасного метеообразования, тенденцию и стадию его развития. Для обнаружения опасных гидрометеоявлений в атмосфере в России широко используются метеорадиолокаторы типа МРЛ-5 [5].
МРЛ дают возможность локализовать грозовые образования радиолокационными методами по отражениям излучаемых ими зондирующих сигналов от облаков. Кучево-дождевые облака, сопровождающиеся ливнями и грозами, достаточно хорошо обнаруживаются на расстояниях до 150 км, имеется возможность наблюдения площадей, занятых такими облаками и их перемещений. По данным таких наблюдений составляются карты радиолокационной информации, передаваемые в метеостанции аэропорта по фототелеграфу или в оцифрованном виде по компьютерной сети.
Однако, по данным радиолокационных наблюдений, наличие электрических разрядов в очаге облачности определяется только по косвенным аэрологическим данным о структуре и развитии облаков. При этом могут возникать трудности с различением ливневых и грозовых облаков, то есть получаемая от МРЛ информация не является адекватной. Для трактовки информации МРЛ требуется участие метеоперсонала, что сильно замедляет и усложняет получение необходимых данных. Сами радиолокаторы весьма дороги.
Используемые в настоящее время МРЛ недостоверно распознают грозовые облака по косвенным вероятностным критериям, базирующимся на измерениях ряда параметров радиоэха облаков, что связано с тем, что МРЛ не способны обнаруживать молнии, являющиеся основными признаками принадлежности облака к грозовым.
Следствиями перечисленных недостатков являются низкая оперативность и недостаточная полнота информации, получаемой в результате наблюдений.
В существующих условиях повышение оперативности, полноты и адекватности информации о грозовых очагах на больших территориях земной поверхности, над которыми проходят трансконтинентальные трассы гражданской авиации, линии электропередач, являются весьма актуальными. Не менее важной задачей является снижение затрат, расходуемых на получение информации о грозах.
Во всех развитых зарубежных государствах имеется грозорегистрационная сеть, несовместимая с метеоинформацией, получаемой российскими метеостанциями о грозах.
В целом в организациях Росгидромета (ВГИ, ГГО, НИЦ ДЗА) создан значительный научно-технический потенциал в области исследования грозовых процессов, на основе которых можно в настоящее время приступить к разработке и созданию российской грозорегистрационной сети.
Мировая практика в решении данной проблемы состоит в следующем. В настоящее время за рубежом наиболее широко используются две конкурирующие системы: широкополосная пеленгационная система, выпускаемая фирмой «LLP», и разностно-дальномерная система LPATS, выпускаемая фирмой Vaisala.
Отсутствие надежной системы связи (канала передачи информации) не позволило развернуть подобные многопунктные системы в России. В России получили реализацию лишь однопунктные системы местоопределения грозовых очагов – это грозопеленгаторы-дальномеры типа «Очаг-2П». Обладая определенными достоинствами, такие изделия имеют большие погрешности и ограниченную территорию использования.
Выполненный нами анализ [6–8] показывает, что для России наиболее приемлемым является создание разностно-дальномерной системы местоопределения разрядов молнии (типа LPATS). Такая система надежнее, чем пеленгационная (типа LLP) и в России с большими территориями и разнообразием рельефа разностно-дальномерная система будет работать надежнее. В ВГИ (совместно с представителями ГГО и Санкт-Петербургского университета) в 1990-х годах на Северном Кавказе была испытана работа такой системы. Местоопределение грозовых разрядов в такой системе определяется по разности времени прихода электромагнитных сигналов от разрядов молнии в разнесенные в пространстве пункты регистрации с последующей передачей информации к потребителям. Система должна представлять собой от
3 до 6 приемников на расстояниях от 10 до 400 км друг от друга с каналом (линией) связи с центральным процессором и систему отображения информации.
Впервые в 2008 г. такая система установлена на Северном Кавказе – это грозорегистратор LS 8000 производства фирмы «Vaisala», США. С 2009 г. планируется разворачивание такой системы на территории Московской области.
Система грозопеленгации, установленная на Северном Кавказе, состоит из четырех грозопеленгаторов LS8000 фирмы Vaisala и центрального пункта приема и обработки информации от грозопеленгаторов (рис.1). Грозопеленгаторы расположены близ населенных пунктов: Черкесск (КЧР), Кызбурун (КБР), Ставрополь и Зеленокумск (Ставропольский край). Данные с этих сенсоров с помощью спутниковой связи передаются на центральный пункт приема и обработки информации, расположенный в городе Нальчике, в Высокогорном геофизическом институте. Центральный пункт приема и обработки информации – это аппаратно-программный комплекс, состоящий из 6 компьютеров, программного обеспечения фирмы Vaisala и оборудования для спутниковой связи с грозопеленгаторами LS8000.
В процессе работы комплекс регистрирует:
дату и время с точностью 100 наносекунд;
широту, долготу (WGS-84);
силу и полярность сигнала (тока в канале разряда), в kA;
количество датчиков, использованных при определении местоположения разряда молнии;
большую полуось эллипса 50% вероятности;
малую полуось эллипса 50% вероятности;
классификацию разрядов на типы облако–земля или внутри-облачный разряд;
классификацию разрядов на положительные и отрицательные;
позиционную уверенность (chi-квадрат);
время поднятия сигнала до пикового значения, в мкс;
время спада сигнала от пикового значения до нуля, в мкс;
максимальное значение скорости увеличения сигнала (крутизна тока молнии), в kA/мкс.
Рисунок 1 - Расположение грозопеленгаторов.
Некоторые составные части грозорегистратора представлены на рисунках 2, 3.
Рисунок 2- Внешний вид датчика грозорегистратора на точке «Кызбурун».
Рисунок 3- Внешний вид датчика грозорегистратора
на точке «Зеленокумск»э
Предполагаемые направления применения грозорегистратора – получение научных результатов:
исследование взаимосвязи процессов облако- и осадкообразования (фазового состояния, вида и интенсивности осадков, водности и ледности облака и т.д.) с электрическими явлениями (типов разрядов молнии, местоположения молний в облаке, типа разрядов, токов молний, интенсивности и знака разрядов и т.д.) в конвективных облаках;
разработка метода прогноза гроз, града и паводков по электрическим явлениям в конвективных облаках;
разработка технологии контроля стадии и тенденции развития грозовых и градовых процессов в облаках по динамике грозоразрядной деятельности и параметрам разряда молнии;
испытание методов прогноза и технологий контроля особо опасных стихийных явлений (паводки, грозы и град) на основе использования уникальных установок грозорегистратора LS 8000, метеорадиолокатора МРЛ-5, программно-аппаратного комплекса и др.
Внедрение в мировую практику гидрометеорологического обеспечения новых технологий дистанционного наблюдения гроз сопровождается накоплением фактических данных об особенностях электрической активности облаков, которые в силу определенных причинно-следственных связей с некоторой заблаговременностью дают информацию об опасных явлениях в атмосфере. Исследование физического существа и устойчивости таких связей в различных синоптических и физико-географических условиях является актуальной задачей. Однако до настоящего времени методические подходы к ее решению недостаточно проработаны, т.к. не установлены закономерности эволюции грозовой активности в облаках различного происхождения (внутримассовых, фронтальных), причины большой изменчивости пространственно-временных характеристик грозовых разрядов в таких облаках.
В многочисленных программах исследования гроз используются разнообразные технические средства и при сопоставлении их результатов следует учитывать, что разные датчики «видят» грозу по-разному и в свою очередь гроза опасна для различных производств, служб и населения также по-разному. К интерпретации данных наблюдательных систем необходим подход, основанный на возможно более полном учете динамических и физических свойств атмосферных явлений и процессов, в которых имеют место грозы.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 782 от 24.05.2010г.).
Литература
Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 343 с.
Стасенко В.Н. Радиолокационное исследование многоячеистых конвективных (грозовых) облаков. – СПб. Гидрометеоиздат, 2004. – 101 с.
Стасенко В.Н., Гальперин СМ. Динамика грозового облака по данным радиотехнических наблюдений // Труды ГГО. – 1976. –
Вып. 383. – С. 129–135.
Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5 // РД 52.04.320-91. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. – 356 с.
Рыжков А.В. Метеорологические объекты и их радиолокационные характеристики // Зарубежная радиоэлектроника. – 1993. – № 4. – С. 6–17.
Woodley W.L., Simpson J., Biondini R., Berkeley J. Rainfall results, 1970–1975: Florida Area Cumulus Experiment // Science. – 1977. –
v. 195. – № 4280. – p. 735–742.
Krider E.P., Noggle R.C., Uman M.A. A gated wideeband magnetic direction finder for lightining return strokes // J. of Appl. Meteorol. – 1976. – v. 15. – p. 301–306.
Rustan P.L, Uman M.А., Сhi1ders D.G., Beaseley W.H., Len-n о n K-L. Lighting source location from VHF radiation data for a flash at a Kennedy Space Centre // J. Geophys. Res., 1980. – v. 85. – № C9. – p. 4893–4903.
|
