CC BY
16
УДК 551.515.4
АНАЛИЗ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА
© 2013 г. З.М. Князева
Князева Залина Музариновна - аспирант, кафедра Knyazeva Zalina Muzarinovna - Post-Graduate Student, чрезвычайных ситуаций, Кабардино-Балкарский госу- Department of Emergency Situations, Kabardino-Balkarian дарственный университет им. Х.М. Бербекова, ул. Чер- State University, Chernishevskiy St., 173, Nalchik, KBR, нышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, e-mail: 360004, e-mail: [email protected]. zknyaz-kbsu@mail. ru.
Одной из основных характеристик гроз является число дней с грозой. В данной работе рассматривается один из возможных подходов к получению уравнения для расчета числа дней с грозой на основе инструментальных наблюдений с использованием гро-зорегистратора LS8000, характеризующегося как высокопродуктивное устройство не только для регистрации климатических характеристик гроз, но и для измерения параметров разрядов молний.
Ключевые слова: молния, гроза, грозопеленгация, молниевый разряд, грозовые процессы, число дней с грозой.
One of the main characteristics of thunder-storms is the number of days with a thunder-storm. In this work one ofpossible approaches to receiving the equation for calculation of number of days with a thunder-storm on the basis of tool supervision with use of a recorder of thunder-storms of LS8000 characterizing as the highly productive device for registration not only climatic characteristics about thunderstorms, but also for parameters of categories of lightnings is considered.
Keywords: lightning, thunder-storm, direction finding of thunder-storms, lightning discharge, storm processes, number of days with a thunder-storm.
Гроза - атмосферное явление, при котором в мощных кучево-дождевых облаках и между облаками и землей возникают сильные электрические разряды -молнии, сопровождающиеся громом. Как правило, при грозе выпадают интенсивные ливневые осадки, нередко град, и наблюдается усиление ветра, часто до шквала [1].
Причиной образования конвективного облака является конденсация водяного пара в поднимающемся и охлаждающемся воздухе. Выделение теплоты при конденсации является одним из механизмов, ответственных за развитие конвективного облака (чем теплее объем воздуха по отношению к окружающей среде, тем интенсивнее он всплывает вверх, что способствует усилению восходящего потока, продолжению конденсации и т.д.) [2, 3].
Таким образом, электрическая структура конвективного облака и разряды молнии являются следствием микроструктурных преобразований в облаке. Поэтому параметры разрядов молнии являются носителями информации:
- об области возникновения разряда - положительная область облака, если молнии положительные, отрицательная область, если разряды отрицательные;
- стадии развития микрофизических процессов -наличие твердой фазы по интенсивности различных типов разрядов.
Грозы сопровождают многие опасные атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосо-держащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. 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 не только свидетельствуют о его существенной микрофизической перестройке, но и предшествуют опасным явлениям погоды. К таким предикторам можно отнести резкое увеличение
числа внутриоблачных молний (до 60 р/мин и более) за 10-15 мин до появления торнадо или за 510 мин до формирования опасных для авиации шквалов (микробастров).
Исследованию грозовых облаков посвящено много работ. Однако, несмотря на появление более точных методов и средств обнаружения грозовых разрядов, построения каналов молний в пространстве, взаимосвязь динамики облака, степени его опасности с ходом в нем грозы во многом остается областью предположений [4, 5].
Таким образом, в связи с интенсивным развитием в последние годы дистанционных методов обнаружения грозовых облаков своевременный диагноз и прогноз опасных явлений, связанных с облачной атмосферой, приобретают большое научное и практическое значение как для физики облаков в целом, так и для оперативного штормооповещения различных отраслей экономики и населения, управления и контроля эффективности активных воздействий.
Существующие методы контроля и оповещения о развитии опасных стихийных явлений основаны либо на визуально-слуховом методе (дежурство на метеостанциях), либо на показаниях метеорадиолокатора. Оба метода хотя и широко применяются, но имеют ряд существенных недостатков:
- ограниченность территории контроля: визуально-слуховой - до 13...20 км, радиолокационный - до 200 км;
- отсутствие в получаемой информации данных об электрических и микрофизических процессах в контролируемых областях атмосферы;
- зависимость полученной информации об атмосферных процессах от длины волны применяемого радиолокатора;
- большие погрешности при определении временных интервалов развития атмосферных процессов;
- отсутствие возможности прогнозирования опасных стихийных явлений.
Одной из основных характеристик гроз является число дней с грозой. В большинстве случаев данные о числе дней с различными метеоявлениями представляют собой климатическую характеристику территории [5]. Данная характеристика является достаточно распространенным климатическим показателем.
В данной работе рассматривается один из возможных способов косвенной оценки числа дней с грозой на ограниченной территории. Способ основан на взаимосвязи между площадью территории и вероятностью регистрации гроз в течение года. Для такого анализа были использованы инструментальные регистрации числа дней с грозой с использованием грозо-регистратора LS8000 и данные метеостанций по территории Ростовской области. Территория сбора грозо-разрядной информации системой LS8000 ограничена
периметром 2250 км, а ее площадь составляет 400 000 км2 [7, 8].
Система грозопеленгации LS8000 оснащена высокоточной аппаратурой для регистрации грозовых разрядов и их параметров и находится в г. Нальчике, в Высокогорном геофизическом институте. Она состоит из четырех грозопеленгаторов LS8000 фирмы Vaisala и центрального пункта приема и обработки информации от грозопеленгаторов. Они расположены близ населенных пунктов: Черкесск (КЧР), Кызбурун (КБР), Ставрополь и Зеленокумск (Ставропольский край). Благодаря такому размещению достигнута высокая эффективность работы системы.
На рисунке представлен пример регистрации координат молниевых разрядов с использованием системы LS8000.
Пример регистрации координат молниевых разрядов с использованием ЬБ8000 за 1-4 мая 2012 г. Точками обозначены разряды молнии на Северном Кавказе
Данные с датчиков грозорегистратора LS8000 поступают с помощью оборудования спутниковой связи в центральный пункт приема и обработки информации. Это аппаратно-программный комплекс, состоящий из 6 компьютеров, оснащенных программным обеспечением фирмы Vaisala.
В процессе работы комплекс регистрирует следующие параметры разряда:
- дату и время с точностью 100 наносекунд;
- широту, долготу (WGS-84);
- силу и полярность сигнала (тока в канале разряда), кА;
- количество датчиков, использованных при опре-
делении местоположения разряда молнии;
- большую полуось эллипса 50 % вероятности;
- малую полуось эллипса 50 % вероятности;
- классификацию разрядов на типы облако-земля или внутриоблачный разряд;
- селекцию разрядов на положительные и отрицательные;
- позиционную уверенность (сЫ-квадрат);
- время роста сигнала до пикового значения, мкс;
- время спада сигнала от пикового значения до нуля, мкс;
- максимальное значение скорости увеличения сигнала (крутизна тока молнии), кА/мкс.
За 2009 - 2010 гг. с использованием системы LS8000 зарегистрировано 465 дней с грозовыми процессами, в том числе 250 дней в 2009 г. и 215 дней в 2010 г. Анализируемые годы являются годами средней грозовой активности. При этом грозовая активность по территории распределяется неравномерно.
Наибольшее число дней с грозой в году, согласно полученным данным и данным метеостанций, имеет место на юге - 40-50 дней и наименьшее на севере -25-30 дней. Поэтому не представляется возможным однозначный переход от грозовой активности в пункте наблюдений (метеостанции) к грозовой активности ограниченной территории. В этой связи корреляцию между площадью территории и среднегодовым числом дней с грозой на территории трудно представить в виде одного выражения.
Используя данные о числе дней с грозой по реги-страциям грозорегистратора LS 8000 за 2009-2011 гг., нами получено выражение, связывающее площадь территории и число дней с грозой в году Т, в виде
lg £=-37,9+39,5 lg T-8,9( lg T)2
(1)
где 5 - площадь территории, км2; Т - дни с грозой.
Из выражения (1) можно получить
1щГ=2,22 -,10,67 - 0,112^£ .
Выражение (1) проверено было нами на территории Ростовской области, для которой были собраны также значения числа дней с грозой в году по данным всех метеостанций и грозорегистратора LS8000 (табл. 1).
Сравнение значений числа дней с грозой в год по инструментальным наблюдениям с данными метеостанций показывает их значительные расхождения. Так, по данным отдельной метеостанции Ростовской области среднее число дней с грозой в год составляет 25-36 дней. По данным LS8000 в те же годы зарегистрировано от 72 до 89 дней с грозой. Такое различие обусловлено двумя факторами: ограниченностью возможностей визуально-слухового метода ре-
гистрации гроз на метеостанциях; развитием грозовых процессов на ограниченных территориях Ростовской области.
Данные о среднестатистических значениях числа дней с грозой в году по данным метеостанций и истинные значения числа дней с грозой по всей территории Ростовской области не совпадают. Поскольку мы рассматриваем всю территорию Ростовской области как единое целое, то необходимо учитывать, что грозовые фронты имеют тенденцию к перемещению, и зачастую одно наблюдаемое грозовое событие фиксируется метеостанцией лишь в зоне покрытия этой метеостанции.
С учетом вышесказанного для территории Ростовской области мы попытались выявить количество грозовых дней по наблюдениям метеостанций следующим образом. Выбирались грозовые дни в каждом месяце, если хотя бы одной из рассматриваемых метеостанций (метеостанции области) была зафиксирована гроза. В итоге по информации, полученной за период с 01.01.2008 по 30.09.2011 г., было зафиксировано 338 грозовых дней. В 2008 г. было зафиксировано 89 грозовых дней, в 2009 - 79, в 2010 - 86, в 2011 -84. Сводная информация о количестве грозовых дней приведена в табл. 2.
Сравнительный анализ показывает, что экстремум средних значений параметров грозовой активности в целом по Ростовской области за рассматриваемый период приходится на май - июль.
Сравнение данных табл. 1 и 2 показывает хорошее совпадение данных, зарегистрированных LS8000, с подсчетом числа дней с грозой по Ростовской области (по данным всех метеостанций). Различие в их значениях не превышает 10 %.
Площадь Ростовской области составляет 100 800 км2. Подставив это значение в наше выражение, получим число дней с грозой в году на данной территории, равное 80, близкое к значению, полученному с использованием грозорегистратора LS8000.
Число грозовых дней на территории Ростовской области, зарегистрированных системой грозорегистрации LS8000
Таблица 1
Март Апрель Май Июнь Июль | Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Всего
2008
0 0 0 0 2 1 14 8 4 0 28
2009
2 3 13 18 20 1 17 12 3 1 89
2010
0 3 21 12 19 1 10 6 1 0 72
2011
0 0 16 23 18 1 10 13 0 0 80
Итого 269
Таблица 2
Сводная информация о количестве грозовых дней по Ростовской области
Год Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Всего
2008 0 0 3 9 20 18 17 12 8 1 0 1 89
2009 0 0 1 0 14 15 19 16 12 2 0 0 79
2010 1 0 0 4 26 14 19 9 10 1 2 0 86
2011 0 0 0 2 15 22 18 13 14 0 0 0 84
Полученные данные могут быть использованы:
- службами гидрометеорологического обеспечения в части мониторинга грозовых явлений;
- службами МЧС для оповещения о развитии опасных атмосферных явлений;
- противоградовыми службами для использования предлагаемых методов контроля градообразования в качестве дополнительных к уже существующим методам.
Литература
1. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций. Российская Федерация / под общ. ред. С.К. Шойгу. М., 2010. 696 с.
Поступила в редакцию_
2. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Грозы Северного Кавказа. Нальчик, 2011. 152 с.
3. Колоколов В.П. Некоторые особенности разрядной деятельности гроз в средних широтах // Тр. ГГО. 1965. Вып. 177. С. 13 - 22.
4. Наставление по метеорологическому обеспечению гражданской авиации (НМОГА-73). Л., 1973. 137 с.
5. Справочник по опасным природным явлениям в республиках, краях и областях РФ / под ред. К.Ш. Хайруллина. СПб., 1997. 588 с.
6. Чуваев А.П., Шварц В.Т. Влияние физико-географических условий на формирование гроз в районах Чувашского плато и Мордовской возвышенности // Тр. ГГО. 1977. Вып. 389. С. 123 - 132 с.
7. Лебедев А.Н. Вероятность гроз на ограниченных участках территории // Тр. ГГО. 1957. Вып. 74. С. 61 - 70.
26 ноября 2012 г.
