Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные технологии искусственного увеличения атмосферных осадков и методы оценки их эффективности
1.1 .Физические основы современных технологий активного воздействия на облака
1.2. Искусственное увеличение атмосферных осадков из переохлажденных облаков
1.3. Искусственное увеличение атмосферных осадков из "теплых" облаков 17
1.4. Методы оценки результатов воздействий и эффективность современных технологий искусственного увеличения осадков
Выводы 22
Глава 2. Исследование физической эффективности работ по искусственному увеличению осадков с использованием методов численного моделирования
2.1. Численное моделирование распространения реагента при воздействии на облака наземными и самолётными средствами воздействия
2.2. Исследование процесса распространения реагента в приземном слое при засеве облаков наземными пиротехническими генераторами
2.3. Численное моделирование воздействия на слоистообразные облака с самолёта
2.4. Исследование эффективности засева слоистообразных облаков самолётными средствами воздействия
Выводы 53
Глава 3. Исследование корреляционных зависимостей между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками с учётом метеорологических особенностей регионов и видов выращиваемых культур
3.1. Корреляционные зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками в Ставропольском крае
3.2 Корреляционные зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками в Кабардино-Балкарии
3.3 Корреляционные зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками в Орловской, Ростовской, Оренбургской областях и Ставропольском и Алтайском краях
Выводы 68
Глава 4. Технология планирования производственных работ по увеличению осадков и оценка их эффективности
4.1. Технология планирования производственных работ по ИУО с целью увлажнения площадей
4.2. Технология планирования производственных работ по ИУО с целью пополнения запаса водохранилищ
4.3. Оценка эффективности при планировании производственных работ по увеличению осадков для нужд сельского хозяйства
Выводы 105
Заключение 106
Список использованных источников
- Искусственное увеличение атмосферных осадков из переохлажденных облаков
- Исследование процесса распространения реагента в приземном слое при засеве облаков наземными пиротехническими генераторами
- Корреляционные зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками в Кабардино-Балкарии
- Технология планирования производственных работ по ИУО с целью пополнения запаса водохранилищ
Искусственное увеличение атмосферных осадков из переохлажденных облаков
Вода в облаках может находиться в нескольких фазовых состояниях одновременно. При отклонении условий от равновесных происходит процесс фазовых переходов, то есть масса воды, находящейся в том или ином фазовом состоянии, меняется. Использование фазовой неустойчивости для активных воздействий берет за основу теорию Вегенера-Бержерона-Финдайзена [44,87,108], согласно которой насыщающая упругость водяного пара надо льдом больше, чем над водой при одинаковой отрицательной температуре, из-за чего кристаллики льда оказываются в состоянии пересыщения, что способствует их росту [26,44,114]. Запас водяного пара вокруг кристаллов уменьшается, капли оказываются в состоянии недосыщения и начинают испаряться. Благодаря этому возникает пересыщение кристаллов в облаке, что, в свою очередь, ведет к увеличению их размеров и уменьшению количества водяного пара вокруг кристаллов, и капли начинают испаряться. Вновь образующийся водяной пар идет на дальнейший диффузионный рост кристаллов в облаке, что ведет к увеличению их размеров. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все капли в облаке не испарятся. Ледяные кристаллы в дальнейшем вырастают до размеров частиц осадков и выпадают из облака. Проходя под воздействием силы тяжести нулевую изотерму они начинают таять и выпадают в виде жидких осадков.
Образование кристаллов требует наличия льдообразующих ядер (ЛЯ). Известно, что для гомогенного ядрообразования ледяной фазы из переохлажденной воды необходима температура ниже -40 градусов по Цельсию. Многочисленные наблюдения позволяют утверждать, что в большинстве облаков существует недостаток природных ледяных частиц, что позволяет управлять развитием облаков, искусственно вводя в облако дополнительные кристаллы. Причем, регулируя количество засеваемых кристаллов (количество реагента) можно как увеличить осадкообразование в облаке, так и уменьшить (благодаря эффекту «перезасева» облака). Таким образом, описанный способ воздействия на переохлажденные облака применим для решения целого спектра задач. Наиболее распространенными реагентами, вызывающими нужный эффект, являются твердая углекислота (сухой лёд С02), жидкий азот (N2) и йодид серебра (Agl). При этом жидкий азот и углекислота являются хладореагентами, то есть веществами, испарение которых вызывает резкое локальное охлаждение воздуха, в результате которого происходит гомогенное образование зародышевых ледяных кристаллов. А диспергирование йодистого серебра обеспечивает формирование субмикронных ядер кристаллизации, на которых в облаке происходит образование ледяных кристаллов. В процессе формирования значительного количества ледяных частиц в дополнение к имеющимся в облаке естественным ледяным частицам выделяется большое количество теплоты, что способствует, в свою очередь, росту облака путем увеличения притока в него водяного пара из подоблачного пространства и усилению боковой конвергенции влажного воздуха внутри облака [44].
Происходящее в процессе засева облаков взаимодействие льдообразующих аэрозолей с облачной средой влияет на микрофизические и динамические процессы в облаках. Соответственно используются две концепции засева облаков - микрофизическая и динамическая.
Микрофизическая, или статическая концепция засева направлена на воздействие на переохлажденные облака с недостатком естественных ледяных ядер - внесение в них реагента способствует изменению таких характеристик, как водность, концентрация и размер частиц, но не влияет на его размеры и динамику [85,102,135]. Результат воздействия зависит от характеристик облака - объема и локализации переохлажденной воды, концентрации кристаллов льда, мощности облака, температуры верхней и нижней его границ, эффект воздействия, соответственно, также варьируется от уменьшения осадков из облака на 60% до увеличения на 200% [44].
Динамическая концепция засева предполагает внесение искусственных ядер кристаллизации в переохлажденную часть облака - это вызывает замерзание воды в облаке и выделение скрытой теплоты кристаллизации - температура в зоне кристаллизации вырастает на 0,5-1 градус Цельсия [134,143], что влияет на плавучесть, ускорение восходящих потоков, которое, в свою очередь, ведет к росту облака вверх, а также увеличение втекания водяного пара в облако из подоблачного слоя. Происходит слияние облаков вплоть до образования облачного кластера и увеличение формирования осадков.
Среднее увеличение осадков при засеве конвективных облаков типа Cu-cong (мощные кучевые) и Cu-cong, переходящих в СЬ (кучево-дождевые), составило, по данным многочисленных экспериментов, 80%, а при засеве СЬ с температурой в верхней границе ниже -30 градусов Цельсия - наоборот, уменьшение осадков на 24% [119]. Эта закономерность связана с тем, что природные аэрозольные частицы становятся более активными по мере понижения температуры и переохлажденные облака с температурой на уровне вершин выше -20-25 градусов Цельсия являются объектом статического, а не динамического засева [44].
Методы АВ на переохлажденную облачность основаны на введении в облака льдообразующих реагентов, приводящих к интенсификации процессов осадкообразования - аэрозоля йодистого серебра, твердой углекислоты ("сухого льда") и жидкого азота [2,12,162] Объектами активных воздействий чаще всего являются следующие типы облаков [26]: слоистые St, слоисто-кучевые Sc и слоисто-дождевые Ns; мощно-кучевые Cu-cong и кучево-дождевые СЬ.
В летний период года наиболее перспективными с точки зрения искусственного увеличения осадков являются скопления конвективных облаков, а в зимний период - системы слоисто-дождевых облаков [51,52,59,72,163,164,166].
Внесение аэрозоля йодистого серебра в облака при использовании самолётных средств воздействия может осуществляться [12,47,83,100]:
1) диспергированием реагента под основанием облаков или внутри них путем сжигания закрепленных на самолёте пиротехнических шашек, содержащих Agl или ацетонового раствора реагента в специальной горелке, закрепленной снаружи самолёта (использовалось в более ранних технологиях АВ). Российской промышленностью выпускаются самолётные аэрозольные генераторы САГ-ПМ-01 калибра 50 мм и САГ-26 калибра 26 мм.
2) путем сброса (отстрела с помощью специальных устройств) с самолёта сверху в облако горящих пиротехнических шашек (пиропатронов) с Agl. Сгорая в процессе свободного падения в толще облака, шашки выделяют в переохлажденный облачный объем большое количество кристаллов йодистого серебра по всей его толще и тем самым обеспечивают его быстрый засев (технология ЦАО). Пиропатроны выпускаются двух калибров - ПВ-50 диаметром 50 мм и ПВ-26 диаметром 26 мм. Один комплект устройства КДС-155 для отстрела пиропатронов позволяет зарядить 60 пиропатронов ПВ-50, а устройств АСО-2И и УВ-26 - 64 и 256 пиропатронов ПВ-26 соответственно.
Исследование процесса распространения реагента в приземном слое при засеве облаков наземными пиротехническими генераторами
Одной из важнейших целей в проектах по организации работ по ИУО является изменение режима выпадения осадков на территориях с интенсивным земледелием [4,21,27,28]. В Российской Федерации значительная часть территорий представляет собой зоны рискованного земледелия. Прежде всего, такое положение связано с недостатком осадков в период вегетации сельскохозяйственных культур [39,55,57,61,63,75]. Но как показывает анализ результатов экспериментов по ИУО, применение современных технологий в различных регионах мира позволяет получать дополнительно до 20% от сезонной нормы осадков [8, 44]. Такое увеличение осадков над заданными территориями позволило бы увеличить урожайность сельскохозяйственных культур и за счет этого оправдать расходы на организацию активных воздействий.
Вообще проблеме оценки экономической эффективности работ по ИУО посвящено достаточное количество теоретических и экспериментальных исследований [71,73,80]. В частности, согласно данным работ [74,81] рентабельность производственных работ по ИУО, выполненных в Закавказье в бассейнах р. Иори и оз. Севан в 1986-1990гг., составила, в зависимости от возделываемых сельскохозяйственных культур, сезона и способа засева облаков от 1:5 до 1:10. Для территории Ставропольского края эффективность АВ, проведенных в 1986-1990 гг. в вегетационный период май-июнь, для озимой пшеницы оказалась также очень высокой. При этом рентабельность работ по ИУО составила 1:10 [79,80].
При определении целесообразности проведения работ по ИУО для нужд сельского хозяйства в том или ином сельскохозяйственном регионе ключевым элементом технологии планирования является оценка корреляционных зависимостей между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками с учётом метеорологических особенностей регионов и видов выращиваемых культур.
В процессе создания технологии планирования были исследованы корреляционные зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками на территориях Ставропольского и Алтайского краев, в Кабардино-Балкарии, в Орловской, Ростовской и Оренбургской областях.
Исследование корреляционной зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от количества осадков проводилось с использованием: 1) данных о месячных количествах осадков, измеренных 16 наземными метеостанциями на территории Ставропольского края в 2003-2011 гг.; 2) данных об урожайности сельскохозяйственных культур за этот же период.
Для исследования связи урожайности с осадками, выпавшими за выбранный период времени, обычно используется линейное уравнение регрессии вида [3,28,65]: Q = a + bPcp (3.1) где Q - урожайность культур, ц/га; Рср - среднее количество осадков, выпавших на территории края за выбранный период времени. Коэффициенты а и Ъ определяются методом наименьших квадратов по данным об урожайности и осадках за тот же период.
Исследования зависимости урожайности от количества осадков проводились для двух сельскохозяйственных культур (картофеля и сахарной свеклы) и осадков, выпавших в различные периоды года - в осенний (сентябрь-октябрь-ноябрь) и весенний (май-июнь) периоды.
Анализ результатов исследований моделей «урожай-осадки», описываемых уравнением (3.1), показал, что наиболее устойчива связь урожайности картофеля и сахарной свеклы с весенними осадками - выпадающими в мае, июне и мае-июне вместе. При этом для обеих культур наибольшая связь урожайности наблюдается с осадками, выпавшими в вегетационный период май-июнь (рис. 3.1 - 3.2).
Так, коэффициенты корреляции между урожайностью и количеством осадков, выпавших в мае-июне, оказались равными: для картофеля - RKaPT= 0,881; для сахарной свеклы - Rcax.cB= 0,803.
Корреляционные зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками в Кабардино-Балкарии
При планировании работ по ИУО с целью наполнения Чернореченского водохранилища были рассмотрены самолётный и наземный методы и технические средства воздействия.
Самолётный метод ИУО предполагает засев облаков льдообразующими и хладоагентами реагентами с самолёта. Для этого воздушные судна оборудованы специальным оборудованием и средствами воздействия:
1) устройствами для отстрела пиропатронов ПВ-26, самолётными аэрозольными генераторами САГ-26, самолётными азотными генераторами ГМЧЛ-А и углекислотными комплексами для засева облаков сухим льдом;
2) комплексом бортовой аппаратуры для измерения навигационных параметров и параметров облаков и атмосферы (температура, водность, относительная влажность), необходимых для принятия решения, выполнения засева и контроля результатов воздействий;
3) системой радиообмена данными «Земля - борт - Земля» (системой диспетчеризации), обеспечивающей определение координат, курса, скорости, высоты полета воздушного судна, передачу этой информации и её отображение на компьютере в Пункте управления, а также передачу карт радиолокационной отражаемости из Пункта управления на борт самолёта. Метод искусственного увеличения атмосферных осадков с использованием наземных генераторов предполагает засев облаков установленными на земле генераторами льдообразующего аэрозоля. Поскольку данная технология весьма чувствительна к орографии местности и, как следствие, к полю ветра, то она используется преимущественно в горной местности, где существуют восходящие движения.
Для оценки пригодности облаков для засева, выполнения самолётных операций и контроля результатов воздействий используются автоматизированные метеорологические радиолокационные комплексы.
Для исследования распространения льдообразующего реагента, мест размещения наземных генераторов и определения режимов их работы с учётом орографии местности, для выбора режимов воздействий и трасс полетов при проведении воздействий с самолёта использовалась трёхмерная численная модель SeedDisp.
Численное моделирование процесса распространения реагента при воздействии наземными генераторами было проведено для 14 дней зимнего периода 2005-2013 гг., в которые отмечалось выпадение осадков и имелись данные радиозондирования. В качестве температурного порога активности (температуры, при которой генерируется количество ледяных частиц, достаточное для значительного влияния на процесс осадкообразования) льдообразующего состава АД-1, используемого в современных российских пиротехнических генераторах йодистого серебра, в расчётах принята температура -6 С.
На рисунках 4.11. и 4.12. приведены примеры результатов численного моделирования концентрации льдообразующих частиц (1/м ) в горизонтальной и вертикальной плоскостях при воздействии самолётными и наземными аэрозольными генераторами йодистого серебра с использованием данных за 21 февраля 2005 г. Время 7 ч 00 мин
Концентрации льдообразующих частиц (1/м ) в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях через 1 час после начала воздействий НАГ, 6:00, 21 февраля 2005г. Горизонтальный разрез построен для высоты 0,5 км, вертикальный - по обозначенной на горизонтальном сечении линии. 21 февраля 2005 г. наблюдался северо-восточный перенос со скоростью 35-45 км/ч. Температура воздуха у земли была 0,2С, нулевая изотерма находилась на высоте 200 м. Нижняя граница облачности находилась на высоте 100 м (- 0,2С), верхняя граница - на высоте 3100 м (- 16С). В этот день по данным метеостанции Симферополь выпало 3,6 мм осадков.
С учётом скорости и направления переноса линия воздействий САГ была расположена на удалении 40-45 км к западу от Чернореченского водохранилища (рис. 4.11.). Воздействия проводились на высоте 2000 м (- 10С).
Пять наземных аэрозольных генераторов располагались на побережье к западу - юго-западу от водохранилища (рис. 4.12.)
Из рис. 4.11. и 4.12. видно, что частицы реагента с концентрацией 10 1/м при воздействии САГ располагались в слое между 1400 м (- 7С) и 2500 м (- 14С), а при воздействии НАГ достигали высоты 1600 м (- 8,5С).
Результаты моделирования распространения реагента в приземном слое при воздействии наземными аэрозольными генераторами, установленными в зоне водосбора Чернореченского водохранилища, показывают, что в целом ряде метеорологических ситуаций реагент может достигать высоты порога активности йодистого серебра (уровень изотермы -6С) в достаточно большой концентрации ледяных частиц (10 - 10 1/м), что создает предпосылки для получения дополнительных осадков.
Моделирование процесса воздействия самолётными средствами и оценка предполагаемого эффекта выполнялись в программе Seeding, описанной в Главе 2.
На рис. 4.13 показаны линия моделируемого самолётного засева, а также линия вертикального сечения облачного слоя, а на рис. 4.14 и 4.15 наземные данные и данные радиозондирования 04 ноября 2005 г., использованные в численной модели в качестве исходных данных.
Технология планирования производственных работ по ИУО с целью пополнения запаса водохранилищ
Наиболее многофакторной с точки зрения планирования работ задачей ИУО является получение дополнительного урожая за счет увеличения количества осадков в различных регионах России.
Решение этой задачи требует комплексного подхода, так как прирост урожая тех или иных сельскохозяйственных культур зависит от целого ряда факторов, среди которых осадки, выпадающие в период вегетации этих культур, не во всех случаях играют ключевую роль.
Однако в рамках настоящей работы было рассмотрено влияние именно фактора дополнительного увлажнения и проведено исследование зависимости увеличения урожайности от выпадающих в том или ином регионе осадков, так как объектом исследования являются производственные работы, направленные на ИУО.
Схема планирования работ по ИУО с целью повышения влагосодержания почвы в период вегетации сельскохозяйственных культур показана на рис. 4.19. Анализ данных о физико-географических особенностях и орографии региона планируемых рабої по ИУО Анализ посевных площадей и урожайности сельскохозяйст венных культур выбранного региона
Анализ синоптико-климатических характеристик облачных ресурсов и режима осадков региона планируемых работ Исследование корреляционных зависимостей между урожайностью сельскохозяйственных культур и осадками
Выбор метода, технических ере дав и схемы воздействия на облака Математическое моделирование процесса воздействия (распространения реагента) и оценка количества дополнительных осадков. Оценка эконошгческой эффективности планируемых работ Анализ экологических аспектов планируемых работ (анализ влияния используемых реагентов на окружающую среду и влияния воздействии на режим осадков смежных территорий).
Схема планирования работ по ИУО с целью повышения влагосодержания почвы в период вегетации сельскохозяйственных культур.
Результаты исследований корреляционных связей между урожаем и осадками различных сельскохозяйственных культур в разных географических регионах описаны в главе 3, выбор методов и средств воздействия, а также математическое моделирование процесса воздействия - в главе 2, ниже приведены результаты оценки эффективности планируемых работ по ИУО в различных сельскохозяйственных регионах и для различных культур. 4.3.1. Оценка эффективности производственных работ по ИУО в
Ставропольском крае Расчёт экономической эффективности ИУО методами активных воздействий на территории Ставропольского края проводился с помощью полученных моделей «урожай-осадки» для картофеля и сахарной свеклы (3.2-3.3) и характеристик облачности и осадков для этой территории.
Используя уравнения (3.2-3.3) можно спрогнозировать, что прирост урожайности AQ за счет дополнительно полученной воды АР составит при искусственном увеличении осадков в результате активных воздействий на облака
В Таблице 4.2 приведены результаты оценки экономической эффективности ИУО с учётом облачных ресурсов в предположении, что работы по АВ на облака выполняются в дневное время, то есть будет использоваться самолётный метод, и увеличение осадков в мае-июне благодаря АВ составит 20%. Расчёты выполнены по данным о средних ценах по состоянию на 2013 год и посевных площадях сельскохозяйственных культур в период 2003-2011 г.г.
Следует отметить, что значения AQmin и AQmax в таблице соответствуют значениям урожайности культур в наименее и наиболее урожайные годы периода. Таблица 4.2. Оценка экономической эффективности ИУО для картофеля и сахарной свеклы
Для определения чистого дохода необходимо оценить расходы на выполнение работ по ИУО, проводимых с использованием самолётного метода, которые складываются из затрат на аренду самолёта, ГСМ, на аэродромные и аэронавигационные расходы, реагенты, метеорологическую и радиолокационную информацию, на заработную плату и командировочные расходы.
Расчёты затрат проводились для случая выполнения работ по АВ на облака с использованием самолётного метода на территории Ставропольского края в мае-июне.
В разделе 3.1 показано, что в мае и июне 7-8 случаев выпадения осадков в дневное время дают более 90% месячного дневного количества осадков.
В связи с этим для проведения воздействий на облака в дневное время в мае-июне при использовании самолётов типа «Гжель» и Ан-30 в среднем необходимо отработать 16 дней (по 8 дней в месяц). В Таблице 4.3 приведены результаты оценки затрат при проведении работ по ИУО с использованием двух типов самолётов. Таблица 4.3. Затраты на выполнение работ по ИУО наземными самолётным методом
Сравнение результатов расчётов экономической эффективности работ по ИУО на примере двух сельскохозяйственных культур, выращиваемых на территории Ставропольского края (Таблица 4.2), с оценками расходов на проведение производственных работ по АВ на облака самолётным методом (Таблица 4.3) показывает, что для картофеля при 20%-ном увеличении осадков чистая прибыль может составить до 42 млн руб. в мае и до 83 млн руб. в мае-июне. При этом следует отметить, что в сезоны с минимальными облачными ресурсами применение самолётов типа Ан-30 оказывается нерентабельным.
Работы по ИУО при выращивании сахарной свёклы при 20%-ном увеличении осадков дают до 17 млн руб. прибыли в мае и до 46 млн руб. в мае-июне, однако в сезоны с минимальными облачными ресурсами самолётный метод АВ на облака оказывается нерентабельным.
Оценка эффективности производственных работ по ИУО в Кабардино-Балкарии Расчёт экономической эффективности ИУО методами активных воздействий на территории Баксанского района Кабардино-Балкарии проводился с помощью полученных моделей «урожай-осадки» для озимой пшеницы, зерновых, картофеля и подсолнечника.
Используя регрессионные уравнения (3.4-3.7) можно рассчитать прирост урожайности AQ за счет дополнительных осадков АР, полученных в результате активных воздействий на облака: AQ = b АР.
Увеличение сбора урожая при занятой под ту или иную культуру площади S, составит AV = AQ S. Выручка от дополнительного урожая, полученного в результате увеличения осадков в период вегетации растений месяцы, составит: AD = AV D = AQ S D, где D - закупочная цена культуры.
В Таблице 4.4 приведены результаты оценки экономической эффективности ИУО наземными генераторами и самолётным методом в предположении, что увеличение осадков в мае-июне благодаря АВ в среднем составит 20%. При этом, как показано в разделе 3.1, при проведении воздействий самолётным методом только в дневное время суток увеличение осадков следует брать не от их общего количества, а от доли, выпадающей в дневное время, что в среднем составляет 0.345 их месячного количества. Для наземных генераторов, которые могут работать как днём, так и ночью, увеличение осадков следует брать от доли, пригодной для воздействий, что в среднем составляет около 80% от их месячного количества. Приведенные в
