Введение к работе
Актуальность работы Проблема управления погодой с целью уменьшения негативных последствий изменения климата, ущерба от стихийных бедствий, таких как засуха, катастрофические ливни и градобития, туманы, наводнения, сход снежных лавин, а также уменьшения ущерба от техногенных катастроф, таких как аварии на АЭС, химических и других опасных производствах, является одной из важнейших задач современной науки и практической жизни. В связи с этим исключительную актуальность приобретает разработка и совершенствование методов и технических средств активных воздействий (АВ) с целью искусственного регулирования осадков (ИРО), предотвращения выпадения града, рассеяния туманов и облаков и т.д.
Поскольку прямые воздействия на макро– и мезомасштабные атмосферные процессы в настоящее время практически неосуществимы в силу необходимости применения громадных энергетических затрат, превосходящих существующие человеческие возможности, реально возможным на практике способом АВ в настоящее время является искусственная модификация облаков, осадков и туманов. Возможность такой модификации базируется на использовании существующей в атмосфере неустойчивости при развитии процессов облако–, осадко– и туманообразования, что позволяет изменять ход этих процессов при сравнительно небольших затратах энергии. При этом принципиальная возможность и целесообразность модификации облаков и осадков вытекает из того факта, что лишь часть (от 10 до 90%) водосодержания облаков при естественных процессах реализуется в виде осадков.
В последние годы во многих странах мира все острее становится проблема дефицита пресной воды. Так на 13-м Всемирном метеорологическом конгрессе отмечено, что к 2025 г. две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пресной воде. Это связано с целым рядом факторов, среди которых основными являются тенденция потепления климата, рост населения Земли, а также интенсивное развитие промышленности и сельского хозяйства. В результате выполненных как в нашей стране, так и за рубежом многолетних теоретических и экспериментальных исследований в области АВ на атмосферные процессы достигнуты серьезные практические результаты в области ИРО. Созданы экологически безопасные средства воздействий на различные формы облачности и на их основе разработаны самолетные и наземные технологии увеличения летних и зимних осадков, а также управления развитием осадкообразующих облачных систем с целью локального увеличения или уменьшения атмосферных осадков.
Активные воздействия на различные формы облачности и туманы в интересах тех или иных отраслей экономики находят в последние десятилетия все более широкое распространение. Это, в первую очередь, многочисленные опытные и опытно-производственные проекты по искусственному увеличению осадков (ИУО) для нужд гидроэнергетики, сельского и лесного хозяйства, коммунальных служб, выполняющиеся в различных странах мира; защита от града; рассеяние туманов в аэропортах и на автодорогах; борьба с лесными пожарами. Это также задача предотвращения или уменьшения количества летних ливневых и зимних обложных осадков. Последнее имеет большое практическое значение для коммунальных служб крупных городов, затрачивающих огромные средства на очистку городской территории от снега, его вывозку и утилизацию. В последние годы работы по предотвращению осадков или по их значительному уменьшению приобрели актуальность для создания благоприятных погодных условий при проведении массовых общественно-политических, культурных и спортивных мероприятий, а также для других нужд.
В настоящее время в мире насчитывается несколько десятков научно-исследовательских и оперативных проектов по ИУО, проводимых в различных странах мира – в США, Австралии, ЮАР, Китае, Марокко, Сирии, Саудовской Аравии, Мексике, Иране, на Кубе и др. странах.
Несмотря на достигнутые за более чем 60-летнюю историю АВ результаты, многие вопросы в проблеме ИРО до конца не изучены и остаются нерешенными. Среди проблем по ИРО можно выделить: недостатки планирования работ (выбор и классификация объектов воздействий, выбор экспериментальных единиц (ЭЕ), контроль воздействий, отсутствие оценок пригодности территории для проведения экспериментов по ИУО и их длительности); несовершенство методов оценки эффективности АВ при выполнении оперативных работ на больших территориях; отсутствие во многих проектах прямых физических свидетельств того, что обнаруженные при статистическом анализе изменения количества осадков были получены в результате засева облаков.
Цель работы заключалась в теоретической и экспериментальной разработке новых методических подходов при планировании, проведении и физико-статистической оценке эффективности исследовательских и оперативных работ по ИРО методами АВ. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Разработка радиолокационного метода обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках, дающих осадки, по информации о неоднородностях поля ветра (НПВ) в пограничном слое атмосферы.
-
Разработка методики оценки количества экспериментальных единиц, необходимого для выявления эффекта воздействий, и исследование возможности использования радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочного прогноза для сокращения длительности рандомизированных экспериментов по ИУО.
-
Планирование и проведение рандомизированного эксперимента с целью исследования возможности модификации тропических переохлажденных конвективных облаков путем их динамического засева кристаллизующими реагентами.
-
Разработка метода статистической оценки эффективности оперативных работ по ИУО на больших территориях и статистическая оценка результатов оперативных проектов с использованием разработанного метода.
-
Планирование, проведение и физико-статистическая оценка эффективности опытно-экспериментальных работ по ИРО с целью метеозащиты мегаполисов.
Научная новизна работы
1) Впервые обнаружена, исследована и экспериментально подтверждена связь зон переохлажденных капель в облаках, дающих осадки, с зонами повышенных НПВ в пограничном слое атмосферы. Разработан и прошел экспериментальную проверку радиолокационный метод обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках и облачных системах, дающих осадки.
2) Впервые получены экспериментальные данные о размерах, пространственном распределении и времени жизни зон неоднородностей поля ветра и связанных с ними областей интенсивных вертикальных движений в слоистообразных облачных системах.
3) Разработана методика оценки количества экспериментальных единиц, необходимого для выявления эффекта воздействий при проведении рандомизированных экспериментов, и показана перспективность использования радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочного прогноза для сокращения длительности экспериментов по ИУО.
4) Базируясь на полученных на Камагуэйском метеополигоне (КМП) (Куба) экспериментальных данных о микрофизических, динамических, радиолокационных и СВЧ-радиометрических характеристиках облачности и осадков выработаны критерии пригодности тропических конвективных облаков для засева с целью получения дополнительных осадков, оценены облачные ресурсы на КМП, исследована эволюция радиолокационных характеристик конвективных облаков на КМП при их естественном развитии и при засеве льдообразующим реагентом и в результате проведения рандомизированного эксперимента доказана возможность модификации тропических конвективных облаков путем их динамического засева.
5) Разработан «метод плавающего контроля» (МПК) для статистической оценки результатов оперативных проектов по ИУО на больших территориях. С использованием разработанного метода получены статистические оценки результатов оперативных работ по ИУО в Республике Саха (Якутия), в Сирийской Арабской Республике, в Исламской Республике Иран и Португалии.
6) Впервые получены физико-статистические оценки результатов более чем 40 крупномасштабных работ по созданию благоприятных погодных условий, выполненных с 1995 г. в различных регионах России и ближнего зарубежья.
Практическая значимость работы
Разработанный в рамках настоящей диссертационной работы радиолокационный метод обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках успешно использовался при выполнении комплексных самолетных и радиолокационных исследований облачности в Международном эксперименте ПУО в Испании в 1980-1981 гг. На основании полученных данных выполнена оценка возможного увеличения количества осадков на полигоне ПУО. Метод позволяет обнаруживать в слоистообразных и конвективных облаках, дающих осадки, соответственно, 80 и 95% переохлажденных капельных зон, т.е. областей, потенциально пригодных для засева льдообразующими реагентами, на значительных территориях порядка 30 тыс. км2 практически в темпе получения радиолокационной информации, что способствует повышению эффективности планирования и выполнения как исследовательских, так и оперативных работ по ИРО.
Полученные в работе экспериментальные данные о структуре вертикальных движений в слоистообразных облаках, о средних значениях водностей в наиболее активных областях облачных систем, относительной площади, занятой такими областями, распределении по размерам и времени их жизни могут быть использованы для проверки и уточнения существующих представлений о процессах осадкообразования и развития облачных систем, а также при численном моделировании в качестве исходной или контрольной информации.
Разработанный метод плавающего контроля может использоваться для оценки эффективности воздействий в исследовательских и коммерческих проектах. В настоящее время метод применяется для статистической оценки результатов оперативных работ по ИУО в Сирии и Иране.
Статистическое моделирование с использованием предложенной в диссертации методики оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий, и радиолокационной информации об осадках позволяет выбрать ЭЕ и оценить длительность рандомизированных экспериментов по ИУО.
Результаты исследований, выполненных на Камагуэйском метеополигоне, используются в настоящее время при проведении оперативных работ по засеву облаков с целью ИУО на территории Кубы.
Разработанные при непосредственном участии автора информационно-измерительная система и методы физико-статистической оценки используются при проведении работ по метеозащите мегаполисов методами АВ.
Результаты исследований внедрены в нормативную руководящую документацию, регламентирующую проведение работ по ИРО самолетными методами.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований связи областей повышенных НПВ в осадках в пограничном слое атмосферы с наличием переохлажденных капельных зон над ними, и экспериментальные данные о размерах, пространственном распределении и времени жизни зон НПВ и связанных с ними областей интенсивных вертикальных движений в протяженных слоистообразных облачных системах.
-
Радиолокационный метод обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках и облачных системах, дающих осадки, по НПВ в пограничном слое атмосферы и результаты его использования для оценки пригодности территорий для работ по ИУО.
-
Метод плавающего контроля и полученные с использованием метода статистические оценки результатов оперативных работ по ИУО на больших территориях в различных географических районах мира.
-
Методика оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий при проведении рандомизированных экспериментов, и результаты статистического моделирования с целью оценки длительности эксперимента при использовании радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочного прогноза.
-
Результаты комплексного рандомизированного эксперимента по АВ на переохлажденные конвективные облака тропической зоны.
-
Результаты опытно-экспериментальных работ по ИРО с целью улучшения погодных условий в мегаполисах методами активных воздействий.
Личный вклад автора
Использованный в диссертации экспериментальный материал получен при непосредственном участии автора или под его руководством в ходе многочисленных экспериментов и опытно-производственных работ, выполненных как у нас в стране, так и за рубежом (Испания, Куба, Сирия, Иран, Португалия, Казахстан).
В результате анализа и обобщения полученных данных автором:
– с помощью разработанного МПК получены статистические оценки результатов оперативных проектов по ИУО на больших площадях;
– с использованием предложенной в диссертации методики получены оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий, по радиолокационной информации об осадках;
– определены критерии пригодности облаков для засева, оценены облачные ресурсы и доказана возможность модификации тропических переохлажденных конвективных облаков на Камагуэйском метеорологическом полигоне (Куба) путем их динамического засева кристаллизующими реагентами;
– получены физико-статистические оценки результатов работ по метеозащите мегаполисов;
– совместно с Ю.В. Мельничуком разработан радиолокационный метод оперативного обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках и облачных системах на больших территориях;
– совместно с О.И. Шипиловым и Ю.В. Мельничуком разработаны методика оценки количества ЭЕ при проведении рандомизированных экспериментов по ИУО и основанный на методе исторической регрессии «метод плавающего контроля».
Апробация работы: Основные результаты диссертации были представлены на 16-й Международной конференции по радиолокационной метеорологии (Хьюстон, 1975 г.); на 4, 5, 6 и 7-м Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии (Москва, 1975 г., Кишинев, 1978 г., Таллин, 1982 г., Суздаль, 1986 г.); на III, IV, VI, VII, и VIII Международных конференциях по активным воздействиям на метеорологические процессы (Клермон-Ферран, 1980 г., Гонолулу, 1985 г., Пестум, 1994 г., Чианг Мей, 1999 г., Касабланка, 2003 г., Анталия, 2007 г.); на 9 и 11-й Международных конференциях по физике облаков и осадков (Таллин, 1984 г., Монреаль, 1994 г.); на IV и V Международных симпозиумах по тропической метеорологии (Гавана, 1987 г., Обнинск, 1991 г.); на Международных совещаниях по Международному Проекту увеличения осадков (ПУО) (Монреаль, 1980 г., Москва, I98I г.); на совещаниях группы экспертов ИК ВМО по активным воздействиям (Женева, 1982 г.); на рабочей группе КАН по физике облаков и активным воздействиям (Женева, 1983 г.); на Всесоюзных конференциях по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987 г., Нальчик, 1991 г.); на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001 г.); на Всесоюзных семинарах «Технические средства для государственной системы наблюдений и контроля природной среды» (Обнинск, 1981 г., Обнинск, 1983 г.); на III Всесоюзном семинаре-совещании «Планирование и оценка эффективности работ по искусственному увеличению осадков» (Тбилиси, I986 г.); на III Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Суздаль, 1990г.); на Юбилейной конференции «Состояние и перспективы развития технологии и технических средств воздействия на гидрометеорологические процессы» (Чебоксары, 1999г.); на Первом Арабском агрометеорологическом семинаре (Дамаск, 1982 г.); на семинарах ВМО по проблеме увеличения осадков в странах Средиземноморского региона, Юго-Восточной Европы и Среднего Востока (Бари, 1996 г., Монселиче, 1999 г.); на Научно-практическом семинаре «Состояние и перспективы работ по воздействию на гидрометеорологические процессы в интересах развития производства в Республике Узбекистан» (Ташкент, 2000г.); на Первой Национальной конференции Малайзии по активным воздействиям (Куала Лумпур, 2002 г.); на Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах – участниках СНГ (Санкт-Петербург, 2002 г.); на Региональном международном семинаре ВМО по физике облаков и активных воздействий (Дамаск, 2003 г.); на Научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельхозкультур от градобитий (Нальчик, 2007 г.); на Научной конференции институтов Росгидромета «Теоретические и экспериментальные исследования конвективных облаков» (Санкт-Петербург, 2008 г.); на VI Всероссийском метеорологическом съезде (Санкт-Петербург, 2009 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 88 работах. В диссертацию включены результаты, которые были получены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы (356 отечественных и зарубежных наименований) и Приложений. Объем рукописи составляет 309 страниц, включая 75 рисунков, 39 таблиц и список литературы.
