Введение к работе
Актуальность работы. Проблема защиты от стихийных природных процессов в условиях повышения повторяемости аномальных явлений погоды, обусловленной глобальным потеплением климата, является одной из важнейших задач обеспечения безопасности жизнедеятельности и устойчивого развития экономики. Исключительную актуальность при этом имеет развитие методов и технических средств активного воздействия на облачные процессы с целью предотвращения града, искусственного увеличения осадков, снижения грозовой активности облаков и т.д.
По данным Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) градобития ежегодно причиняют мировому агропромышленному производству, строениям, коммуникациям ущерб, исчисляемый миллиардами долларов США.
В связи с этим десятки стран осуществляют научные и оперативные проекты предотвращения града с применением различных технологий засева градовых облаков кристаллизующими и льдообразующими реагентами с помощью специальных противоградовых ракет, артиллерийских снарядов, авиационных и наземных генераторов льдообразующего аэрозоля. Эти технологии имеют различные модификации, базирующиеся на разных физических принципах (теория конкуренции, ускорение осадкообразования и др.), в разной степени реализуемых в организационно-техническом плане. Поэтому противоградовая защита (ПГЗ) в разных странах и регионах в зависимости от применяемой техники и технологии имеет разную эффективность, а порой неоднозначные результаты.
Для оценки результатов ПГЗ используется множество разных подходов и показателей эффективности. Однако, несмотря на то что защита во многих странах осуществляется почти полвека, до настоящего времени нет единого мнения мирового сообщества о пределах возможностей подавления града на современном уровне научных знаний и технических достижений. Это обусловлено не только указанными различиями в применяемых технологиях ПГЗ, но и отсутствием единого научно-обоснованного метода комплексной оценки их физической и экономической эффективности, применением устаревших критериев радиолокационного распознавания и контроля эффекта засева градовых и градоопасных облаков, а также отсутствием прямых физических и статистических доказательств того, что трансформация характеристик засеянных облаков и сокращение потерь от града обусловлены засевом, а не их естественной изменчивостью.
Вследствие этого проблема разработки научно-обоснованного метода комплексной оценки эффективности ПГЗ является весьма актуальной, достаточно сложной и многогранной, так как включает в себя:
разработку методов радиолокационного распознавания объектов воздействия (ОВ) и оперативной оценки физического эффекта их засева;
научное доказательство влияния засева на закономерности эволюции градовых и градоопасных облаков;
разработку научно-обоснованных методов оценки физической и экономической эффективности ПГЗ в отдельные сезоны и многолетние периоды с учетом изменения климатологии града защищаемых регионов;
оценку эффективности и рентабельности ПГЗ в разных регионах;
оценку статистической значимости достигнутой эффективности ПГЗ;
оценку экологической безопасности применяемых технологий ПГЗ.
Цель работы: Исследование естественной и модифицированной засевом кристаллизующими реагентами эволюции параметров градовых процессов и разработка комплексного метода оценки физической и экономической эффективности, рентабельности и экологической безопасности технологий ПГЗ.
В работе решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение - создание научных основ и методов комплексной оценки физической и экономической эффективности активных воздействий на градовые процессы.
В рамках достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
-
Проведен обзор градоопасных регионов мира, проектов и технологий предотвращения града и существующих методов оценки их эффективности.
-
Предложены новые двумерные и трехмерные радиолокационные критерии распознавания градовых, градоопасных и потенциально-градоопасных облаков, радиолокационные методы получения карт кинетической и глобальной кинетической энергии града, степени повреждения сельхозкультур и ущерба от градобитий.
-
Разработаны новые критерии распознавания объектов воздействия (ОВ) различных категорий, основанные на измерении приведенной водности и интегрального водосодержания их переохлажденной части и учете тенденции их развития, обеспечивающие сокращение количества засеваемых ОВ и расхода средств воздействия.
-
Изучено влияние засева кристаллизующими реагентами на закономерности эволюции одномерных, двумерных и трехмерных параметров засеянных и незасеянных градовых и градоопасных облаков на основе данных обширных автоматизированных радиолокационных наблюдений.
-
Разработан радиолокационный метод оценки физического эффекта засева градовых и градоопасных облаков, дифференцированный с учетом их стадии развития и мощности, обеспечивающий принятие решения о целесообразности продолжения или прекращения засева.
-
Разработан инструментальный метод оценки физической эффективности за отдельный день с воздействием или за весь сезон ПГЗ, основанный на сравнении глобальной кинетической энергии града на защищаемой и смежной территориях.
-
Разработана методика экспресс оценки предотвращенного ущерба при активном воздействии (АВ) на отдельный градовый процесс, основанная на оценке ожидаемого и фактического ущерба от града и обеспечивающая контроль качества противоградовых работ в процессе их выполнения.
-
Разработаны статистические методы оценки физической и экономической эффективности ПГЗ за отдельный сезон и многолетний период с учетом выявленной тенденции изменения климатологии града.
-
Проведены статистические исследования природной и модифицированной в результате ПГЗ вариаций потерь от града в различных регионах и изучены их многолетние тренды, осуществлено районирование территории Российской Федерации по степени градоопасности.
-
Разработаны методики оценки экологической безопасности технологий ПГЗ и уровней их вредного физического воздействия на окружающую среду.
-
Проведена комплексная оценка эффективности и рентабельности российской автоматизированной ракетной технологии ПГЗ в разных регионах и оценка ее статистической значимости с учетом новых показателей эффективности, коэффициента градоопасности региона и года защиты.
-
Разработан комплект руководящих документов, регламентирующих применение перечисленных методик, проведена их апробация и внедрение в практику ПГЗ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
Экспериментально полученные закономерности эволюции параметров засеянных и незасеянных градовых и градоопасных облаков, свидетельствующие о связи трансформации параметров облаков с засевом кристаллизующими реагентами.
-
Радиолокационные критерии распознавания ОВ различных категорий по значениям приведенной водности и интегрального водосодержания их переохлажденной части и тенденции развития.
-
Радиолокационные показатели физического эффекта засева градовых и гра- доопасных облаков, основанные на измерении водосодержания слоя роста града.
-
Метод экспресс оценки ущерба, предотвращенного в результате АВ на отдельный градовый процесс.
-
Радиолокационный метод оценки физической эффективности ПГЗ, основанный на сопоставлении глобальной кинетической энергии града на защищаемой и прилегающей территориях.
-
Комплексный метод оценки физической и экономической эффективности ПГЗ, основанный на использовании нормированного показателя потерь от града и учете изменения градоопасности региона.
-
Результаты статистических исследований характеристик градовых осадков в разных регионах, закономерности изменения климата Северного Кавказа за последние 50 лет, а также районирование территорий по степени градоопасности.
-
Результаты комплексной оценки эффективности и рентабельности российской автоматизированной ракетной технологии ПГЗ в разных регионах.
-
Методика и результаты оценки уровня загрязнения природной среды и экологической безопасности российской технологии ПГЗ.
Научная новизна полученных результатов:
-
-
-
-
Предложены новые двумерные и трехмерные радиолокационные параметры для контроля физического эффекта АВ на градовые облака, включая:
объемы всей толщи облака (VZi, км ) и его переохлажденного слоя (AVzu
км ) при разных уровнях радиолокационной отражаемости Zi;
приведенные (интегрированные по высоте) водности всей толщи облака и его переохлажденного слоя (q и Aq, кг/м );
интегральное водосодержание (Mzi) всего облака и его переохлажденного слоя (AMzi) при разных уровнях радиолокационной отражаемости Zi.
Предложены новые критерии распознавания ОВ различных категорий на основе комплекса одномерных, двумерных и трехмерных радиолокационных параметров и учета тенденции их развития.
Впервые изучены закономерности эволюции засеянных и незасеянных градовых и градоопасных облаков на основе автоматизированных радиолокационных наблюдений с использованием двумерных и трехмерных радиолокационных параметров.
Предложен новый инструментальный метод оценки физической эффективности ПГЗ за сезон (или день с АВ) на основе радиолокационных карт кинетической энергии града, степени повреждений от града и сопоставления значений глобальной кинетической энергии града на ЗТ и ПТ.
Предложен новый нормированный показатель эффективности ПГЗ, обеспечивающий удобство статистических оценок.
Разработан новый комплексный метод оценки физической и экономической эффективности ПГЗ с учетом новых показателей эффективности, изменения градо- опасности региона и года защиты.
Впервые предложен метод экспресс оценки ущерба, предотвращенного в результате АВ на отдельный градовый процесс или день с АВ, позволяющий оценить экономическую эффективность каждой противоградовой операции.
Впервые проведена оценка уровней вредного физического воздействия на окружающую среду и экологической безопасности технологий ПГЗ.
Впервые обобщены результаты исследования градоопасности территорий РФ, стран СНГ, Аргентины и Бразилии, природной и модифицированной ПГЗ вариаций потерь от града. Проведено районирование территории РФ по градоопасности и получены тенденции изменения климатологии града в районах ПГЗ.
Впервые изучены и обобщены результаты многолетней ПГЗ в РФ, странах СНГ, Аргентине, Бразилии, исследована эффективность российской технологии ПГЗ в разных регионах мира и проведена ее статистическая оценка.
Научная и практическая значимость результатов:
Выявленные в работе различия в эволюции засеянных и незасеянных градовых и градоопасных облаков являются доказательством связи трансформации параметров облаков с засевом кристаллизующими реагентами и могут служить прямыми указателями эффекта АВ на них.
Двумерные и трехмерные радиолокационные параметры и нормированный показатель потерь от града позволили усовершенствовать методы оценки физической и экономической эффективности ПГЗ.
Усовершенствованные критерии распознавания ОВ различных категорий обеспечивают сокращение числа засеваемых ОВ и расхода средств воздействия за счет более точного распознавания категории ОВ и более раннего обнаружения эффекта АВ.
Метод экспресс оценки предотвращенного ущерба в период ПГЗ позволяет оценить экономическую эффективность каждой противоградовой операции и осуществлять контроль качества ПГЗ в процессе ее проведения.
Комплексный метод оценки физической и экономической эффективности ПГЗ и ее статистической значимости с учетом коэффициента градоопасности года (периода) защиты, а также изменения климатологии града в защищаемых регионах позволил провести сравнительную оценку эффективности ПГЗ в разных регионах.
Метод оценки возможных вредных уровней воздействия на окружающую среду позволяет получить заключение об экологической безопасности технологии ПГЗ и осуществлять государственный надзор за ее применением.
Результаты исследований градоопасности различных территорий, режима осадков и частоты опасных явлений погоды на Северном Кавказе за 51-летний период позволили оценить влияние глобального потепления климата на изменение климатических характеристик региона, усовершенствовать метод оценки физиче- ской эффективности ПГЗ с учетом тренда градоопасности. Они могут служить справочным материалом для разработки проектов ПГЗ в новых регионах и оценки их рентабельности.
Практическое использование (внедрение) результатов работы:
Основные результаты, полученные в диссертации, внедрены на практике ПГЗ и используются в качестве основных в ВС Росгидромета, так как они положены в основу или являются составной частью семи новых руководящих документов (РД):
РД 52.37.672-2006 Методические указания. Экспресс оценка предотвращенного ущерба в период противоградовой защиты (результаты 3 главы диссерт.);
РД 52.11.679-2006 Методические указания. Комплексная оценка возможных вредных уровней воздействия на окружающую среду при работах по активным воздействиям на гидрометеорологические и геофизические процессы (результаты 8 главы);
РД 52.37.731-2010 Организация и проведение противоградовой защиты (результаты 2 главы);
РД 52.37.732-2010 Методы оценки эффективности активного воздействия на градовые процессы и порядок отчетности о проведении противоградовой защиты (результаты 2, 4, 5 и 6 глав);
РД 52.37.722-2009 Районирование территории по градоопасности (результаты 6 главы);
РД 52.37.746-2010 Методика сбора и обработки данных о градобитии (результаты 5 главы);
РД 52.37.754-2011 Нормы времени и нормативы численности на выполнение работ по организации и проведению противоградовой защиты (результаты 2 главы).
Акты и приказы о внедрении РД представлены в приложении к диссертации.
В практику ПГЗ в рамках этих РД внедрены методы измерения двумерных и трехмерных параметров облаков, новый комплекс критериев распознавания ОВ различных категорий, радиолокационный метод оперативной оценки эффекта засева градовых и градоопасных облаков, статистические методы оценки физической и экономической эффективности ПГЗ, метод экспресс оценки предотвращенного ущерба, методика оценки экологической безопасности применяемых технологий ПГЗ, метод инструментальной оценки физической эффективности ПГЗ на стадии внедрения. Перечисленные методы и результаты исследования градоопасности различных регионов используются на курсах подготовки российских и зарубежных специалистов по воздействию на градовые процессы.
Объект исследований: Физическая и экономическая эффективность ПГЗ и градоопасность различных регионов.
Методы исследования и использованные материалы: В качестве основных методов исследования использованы: расчетно-теоретические методы, радиолокационные методы определения одномерных, двумерных и трехмерных параметров облаков, статистические методы, метод районирования в сочетании с обобщением обширного экспериментального материала, включающего:
объемные файлы радиолокационного обзора облаков, полученные в разных регионах в течение многих лет наблюдений с помощью автоматизированных радиолокационных систем АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ»;
данные архивов ГУ «ВГИ», МЧС РФ, ВНИИГМИ МЦД, СК УГМС, ВС Росгидромета, НПЦ «Антиград», ГУ «КБ ЦГМС» о градоопасности территорий Российской Федерации, стран СНГ, Аргентины и Бразилии;
отчеты ВС Росгидромета, стран СНГ, Аргентины и Бразилии (более 380 отчетов), содержащие материалы об АВ на градовые процессы;
данные 36 Справочников по климату СССР о частоте выпадения града по 2370 метеостанциям и постам бывшего СССР;
данные 650 «Метеорологических ежемесячников» СК УГМС о среднемесячных и годовых значениях количества осадков, температуры, абсолютной и относительной влажности воздуха, числа дней с градом, грозами, шквалами за период с 1958 по 2008 годы.
Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в работе (включая разработку методов измерения двумерных и трехмерных параметров облаков, исследования пределов вариации водосодержания градовых облаков и их переохлажденной части, разработку новых критериев распознавания ОВ различных категорий, разработку радиолокационного метода и результаты оценки эффекта засева ОВ различных категорий, разработку методов оценки физической и экономической эффективности ПГЗ, экспресс оценки предотвращенного ущерба, исследование градоопасности различных регионов и его тренда, оценку эффективности и экологической безопасности российской технологии ПГЗ) получены автором на основе сбора, обработки, статистического анализа и обобщения обширных экспериментальных данных радиолокационных и метеорологических наблюдений, исследования градоопасности различных регионов и обобщения многолетнего опыта работы противоградовых служб России, стран СНГ, Аргентины и Бразилии.
Программная реализация и внедрение в практику ПГЗ методов измерения двумерных и трехмерных параметров облаков, новых критериев распознавания ОВ различных категорий и метода инструментальной оценки физической эффективности ПГЗ, а также исследования климатологии града и тенденций изменения климатических характеристик Северного Кавказа выполнены с соавторами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 7-й, 8-й и 9-й Международных конференциях ВМО по модификации погоды; Совещании экспертов ВМО по физике, химии облаков и модификации погоды (Нальчик, 2003 г.); Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003 г.); Международной научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии в странах СНГ (Санкт-Петербург, 2002 г.); Всероссийских конференциях по физике облаков и АВ на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001 г., 2005 г.); Всероссийской конференции по физике облаков и АВ на гидрометпроцес- сы, посвященной 70-летию Эльбрусской высокогорной экспедиции РАН (Нальчик, 2005 г.); Второй конференции молодых ученых национальных Гидрометслужб государств-участников СНГ (Москва, 2006 г.); III, IV, V, VI, IX конф. молодых ученых КБНЦ РАН (г. Нальчик, 2002 - 2006 гг.); Конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Г.К. Сулаквелидзе (Нальчик, 2004 г.); Шестом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенняя сессия) (Санкт-Петербург, 2005 г.); Научно-практической конференции, посвященной 40- летию практических работ по защите сельхозкультур от градобитий (Нальчик, 2007 г.); Научной конференции, посвященной 50-летию отдела физики облаков ГГО им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург, 2008 г.); Научной конференции, посвященной 175-летию Гидрометслужбы России - научные проблемы и пути их решения (Москва, 2009 г.); Курсах подготовки и аттестации руководителей АВ на градовые процессы ВС Росгидромета (Нальчик, 2000 - 2011 гг.).
Совместно с группой ведущих специалистов и ученых СССР и РФ автор удостоен приза ВМО «За выдающиеся достижения в области модификации погоды» (ОАЭ, г. Абу-Даби, 2006 г.).
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 71 научной работе, включая 3 монографии, 13 публикаций в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 патент на изобретение, 7 руководящих документов и 6 публикаций в трудах Международных конференций и симпозиумов по модификации погоды и изменению климата.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка используемой литературы (268 отечественных и зарубежных публикаций) и приложения. Рукопись содержит 314 страниц, 63 рисунка, 39 таблиц. Приложение содержит Акты внедрения результатов диссертации в ВС Росгидромета и Приказы Росгидромета о введении в действие РД.
Похожие диссертации на Методы и результаты исследований физической и экономической эффективности активных воздействий на градовые процессы
-
-
-
-
-
-
