Анализ и прогноз пространственно-временного распределения опасных метеорологических процессов на юге европейской части России и разработка мероприятий по снижению риска их развития тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, доктор физико-математических наук Аджиева, Аида Анатольевна

• Аджиева, Аида Анатольевна
• доктор физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Аджиева, Аида Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПАСНЫХ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЮГА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ИХ ПРОГНОЗА, ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ.

1.1. Опасные гидрометеорологические процессы на территории юга европейской части России.

1.2. Радиолокационное обнаружение облаков, осадков и молний на территории юга европейской части России.

1.3. Зарубежные автоматизированные системы обработки, хранения, представления и распространения радиолокационной информации.

1.4. Средства активных воздействий на опасные конвективные процессы.

1.5. Современное состояние исследования по физике конвективных облаков.

1.6. Исследование полей метеопарамеров и их учет в сельскохозяйственной деятельности.

1.7. Выводы.

Глава 2. АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ И ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ.

2.1. Метод прогноза метеорологических параметров на основе выделения скрытых периодичностей в их временных рядах.

2.2. Исследование корреляционных зависимостей между урожайностью сельскохозяйственных культур и метеопараметрами.

2.3. Результаты прогноза количества осадков с использованием разработанного метода.

2.4. Результаты прогноза урожайности сельскохозяйственных культур на основе учета погодных явлений.

2.5. Выводы.

Глава 3. ОЦЕНКА ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЮГА

ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАЗВИТИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ НА ЕГО ТЕРРИТОРИИ.

3.1. Климатические факторы, влияющие на развитие метеорологических явлений на юге европейской части России.

3.2. Рельеф и его роль в развитии метеорологических явлений на юге европейской части России.

3.3. Влияние орографии юга европейской части России на грозовые процессы и параметры молнии.

3.4. Выводы.

Глава 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРОВ МОЛНИЕВЫХ

РАЗРЯДОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЮГА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ.

4.1. Дистанционные измерения тока молнии.

4.2. Амплитудно-временные характеристики токов молнии.

4.3. Ритмические вариации грозовых процессов и солнечной активности.

4.4. Взаимосвязь грозовых и градовых явлений в конвективном облаке.

4.5. Выводы.

Глава 5. ПРОГНОЗ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ НА ЮГЕ

ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИ И АНАЛИЗ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ.

5.1. Защита от молний при проектировании различных объектов

5.2. Опасность чрезвычайных ситуаций на Северном Кавказе при грозах.

5.3. Экстраполяция на последующие годы грозо-разрядной деятельности на юге европейской части России.

5.3.1. Методика анализа параметров грозо-разрядной деятельности и их характеристики.

5.3.2. Прогнозирование грозо-разрядной деятельности на территории Северного Кавказа временными рядами.

5.3.3. Экстраполяция грозовых характеристик временными рядами.

5.4. Выводы.;.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и прогноз пространственно-временного распределения опасных метеорологических процессов на юге европейской части России и разработка мероприятий по снижению риска их развития»

Многие погодные явления по своей интенсивности, времени и месту возникновения могут нанести значительный ущерб отдельным отраслям хозяйства и представляют угрозу безопасности жизнедеятельности. Являясь климатическими экстремумами, они значительно меняют режим погоды региона. На юге европейской части России наиболее часто отмечаются такие опасные метеорологические явления как сильные ветры, общие и низовые метели, грозы, град, гололед, изморозь, шквалы и др.

Основное внимание в работе уделено грозам, граду, ливням и связанным с ними температурно-ветровым режимом.

Актуальность темы исследования. В настоящее время общепризнанным является факт активизации на юге европейской территории России особо опасных стихийных явлений (грозы, град, паводки и др.), вызванной потеплением климата. С этими явлениями связан рост случаев катастрофических селей, оползней, затоплений сельхозугодий, деградации ледников, прорыва приледниковых озер и т.д.

Интенсивные грозо-градовые процессы, и связанные с ними наводнения, сели, градобития, повреждения электрических систем и оборудования и др., приводят к большим экономическим потерям, и, нередко, к гибели людей. Поэтому, проблема снижения риска чрезвычайных ситуаций, вызванных стихийными явлениями погоды, является достаточно актуальной, как в нашей стране, так и за рубежом.

Безопасность жизнедеятельности человека и защита различных объектов от воздействия стихийных явлений во многом определяются своевременным обнаружением местоположения опасных явлений и контролем их состояния.

Большое значение для своевременного обнаружения и идентификации опасных природных явлений, и принятия мер защиты от них (в том числе и методами активного воздействия), имеют системы раннего предупреждения и средства дистанционного зондирования облачной атмосферы.

Существующие методы контроля и оповещения о развитии опасных стихийных явлений основаны либо на визуально-слуховом методе (дежурство на метеостанциях), либо на показаниях метеорологических радиолокаторов. Оба метода, хотя и широко применяются, но имеют ряд существенных недостатков: ограниченность территории контроля (визуально-слуховой до 13.20 км, радиолокационный до 100.200 км);

- недостаточная информативность (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;

- ограниченные возможности прогнозирования опасных явлений погоды.

В связи с этим, совершенствование методов прогнозирования и контроля развития опасных явлений погоды на основе детального изучения их взаимосвязанных и взаимообусловленных параметров стало в настоящее время актуальной научной проблемой.

К числу таких методов относятся методы, основанные на использовании электрических параметров - предвестников микроструктурных изменений в облаках.

Фактически, грозовые процессы являются предикторами стадий и тенденций развития опасных гидрометеорологических явлений в атмосфере. К таким предикторам можно отнести: возникновение в облаке межоблачных и облако - земля разрядов, интенсивность разрядов в единицу времени, значения амплитуды тока молний, время нарастания тока, знак разряда молнии, местоположение разрядов в облаке, и т.д. Например, резкое увеличение интенсивности внутриоблачных разрядов в облаке (до 60 р/мин) свидетельствует о том, что через 10-15 мин возникнет торнадо или сформируются шквалы, опасные для авиации. Реверс полярности молний, 5 преимущественно с отрицательной на положительную, свидетельствует о начале периода формирования градовых частиц в облаке и начале их выпадения, а, после окончания градоопасной стадии, полярность восстанавливается.

В связи с этим, в диссертационной работе проведены комплексные исследования микрофизических и электрических процессов в атмосфере с использованием активно-пассивного комплекса геофизического мониторинга ФГБУ «ВГИ», состоящего из метеорологического радиолокатора и автоматического грозопеленгатора - дальномера Ь8 8000, работа которого в сопоставлении с данными сети пунктов наземных метеорологических наблюдений позволит существенно повысить качество диагноза опасных природных явлений.

Опыт практического использования составных частей активно-пассивной информационно-измерительной системы ФГБУ «ВГИ» как в России, так и за рубежом, достаточно обширен (Аргентина, Болгария, Молдова и др.), а, научно-технический уровень выполняемых работ (ФЦП, гранты Роснауки и др.), многие из которых уже опубликованы в ведущих журналах РФ, полностью подтверждает их соответствие приоритетным направлениям науки, технологий и техники.

Важной задачей является поиск взаимосвязанных и взаимоопределяющих предикторов развития опасных атмосферных явлений и разработка на этой основе методов контроля тенденций их развития. Их создание позволит в значительной мере повысить надежность и своевременность штормовых предупреждений, и обеспечит безопасность функционирования погодозависимых секторов экономики (городского хозяйства, транспорта, особенно воздушного и др.).

Объектом исследования являются метеорологические явления - грозы, ливни, град, развивающиеся на территории юга европейской части России, которые характеризуются разнообразием условий возникновения и развития.

Небольшие перепады высот благоприятствуют свободному вхождению сюда 6 различных воздушных масс. Близость морских акваторий, имеющих отличные от суши термические особенности, обусловила более влажный режим региона. Почти широтное расположение Кавказского хребта также оказывает влияние на особенности развития погодных явлений в регионе.

Цель диссертационной работы: Анализ и прогноз на основе современных математических методов пространственно-временного распределения электрических характеристик и режима осадков на юге европейской территории России.

В соответствии с поставленной целью, сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Анализ физико-географических условий юга европейской территории России, определяющих развитие атмосферных процессов и метеорологических явлений в регионе.

2. Исследование влияния орографии и солнечной активности на грозовые процессы и параметры разрядов молний.

3. Выявление особенностей пространственно-временной динамики грозовой активности и параметров молний.

4. Создание базы данных, характеризующих атмосферные процессы, метеорологические явления и производство сельскохозяйственной продукции в различных зонах юга европейской части России.

5. Создание карт (в том числе электронных) пространственно-временных изменений режима атмосферных осадков, грозовой активности и параметров молний в различных областях юга европейской части России.

6. Анализ спектральной структуры и фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы атмосферных осадков и грозовой активности на юге европейской части России.

7. Построение моделей динамики временных рядов метеорологических параметров с учетом скрытых в них периодичностей.

8. Исследование корреляционных зависимостей между урожайностью сельскохозяйственных культур и метеопараметрами, и прогноз урожайности с использованием значений метеопараметров.

9. Прогноз метеопараметров, характеризующих грозовую активность атмосферы.

10. Разработка рекомендаций по адаптации производства сельскохозяйственной продукции к изменениям агроклиматических характеристик региона.

Материалы и методы исследования. В основу диссертации положены материалы многолетних (с 1930 г. по настоящее время) метеонаблюдений более чем 80 метеорологических станций на юге европейской части России, инструментальных измерений параметров грозо-градовых процессов на полигонах ФГБУ «ВГИ» в различные годы, а также личные наблюдения автора. Источниками данных также являлись климатические справочники и ежемесячники, выпускаемые в ВНИИ-ГМИ МЦД (г. Обнинск), справочные данные МЧС России по Северному Кавказу, электрические характеристики гроз, полученные в ФГБУ «ВГИ» с использованием грозопеленгационной системы LS 8000.

Анализ данных по природно-климатическим характеристикам проводился с применением методов математической статистики (с применением программного обеспечения Mathcad и SPSS 9.0). При проведении исследований использовались методы системного анализа, геоинформационного моделирования, математического анализа.

Научная новизна исследования. Научная новизна работы заключается в том, что для юга европейской территории России:

• впервые исследованы и уточнены особенности возникновения опасных атмосферных метеорологических явлений, выявлена зависимость между отдельными географическими показателями и характеристиками параметров грозо-градовых явлений, определены коэффициенты их корреляционных связей;

• впервые на основе комплекса метеопараметров, характеризующих грозовую деятельность, проведено районирование территории юга европейской части России, и построены карты (в том числе электронные) территориального распределения гроз;

• проведен анализ спектральной структуры и фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих грозо-градовые процессы на юге европейской части России.

Впервые проведены исследования взаимосвязей между различными геофизическими характеристиками и объектами:

- грозовыми и градовыми облаками;

- солнечной и грозовой активностью;

- урожайностью различных сельхозкультур и метеопараметрами.

Выявлены особенности динамики грозовой активности на основе районирования территории по грозопоражаемости и анализе временных рядов метеорологических параметров, характеризующих ее.

Построены модели прогнозирования изменений температуры, количества осадков и др.

Теоретическая и практическая значимость работы

• Результаты районирования территории Северного Кавказа по частоте появления опасных гидрометеорологических явлений позволят учитывать риски, связанные с ними, в стратегиях социально-экономического развития региона.

• Полученные в работе данные измерений параметров молнии Ростовской области (значений токов молний различной полярности, времени нарастания тока и грозопоражаемости территории молниями) были использованы НПО «Стример» (г. Санкт Петербург) для совершенствования системы электроснабжения области.

• Статистические данные «характеристик грозовой деятельности» для всей территории Ростовской области, которые объединяют климатические и физико-географические характеристики гроз (число дней с грозой, продолжительность существования грозовых явлений и их интенсивность, число грозовых разрядов и их тип, удельная поражаемость данной территории молниями и т.д.) использованы в ТРТИ ЮФУ (г. Таганрог) при выполнении НИР.

• Полученные автором значения параметров молний и грозоразрядных характеристик территории Северного Кавказа использовались для усовершенствования молниезащитных мероприятий при реконструкции электроснабжения Черноморского побережья России (2008 г.).

• Разработанная в рамках настоящей диссертационной работы методика прогноза урожайности сельскохозяйственных культур, основанная на анализе и прогнозе динамики временных рядов метеопараметров, успешно использовалась администрацией Баксанского района Кабардино-Балкарской республики при организации сельхозпроизводства на территории района, что привело к заметному повышению устойчивости производства сельскохозяйственной продукции.

• Полученные результаты можно использовать для валидации математических моделей, учитывающих процессы осадкообразования и электрические процессы.

• Некоторые результаты работы использованы в ФГБУ «ВГИ» при выполнении НИР по федеральным целевым программам:

- «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы». Госконтракт 14.740.11.0643 «Дистанционное зондирование атмосферы и облаков активно-пассивными радиотехническими средствами»;

- «Научные исследования и разработки в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды на 2008-2010 годы». Госконтракт 02.740.11.0694 «Распространение и опасность проявления природных процессов и явлений в Северо-Кавказском федеральном округе России».

• Обобщенные результаты систематических многолетних визуально-слуховых и инструментальных наблюдений за грозами Северного Кавказа реализованы в общеобразовательных процессах.

В Кабардино-Балкарском государственном университете на физическом факультете:

- для практического обучения студентов в рамках магистерской программы «Физика атмосферы и околоземного космического пространства» (специальность 010700.68 Физика);

- в дипломных проектах по исследованию облачных структур с применением радиолокационной, ИК и СВЧ техники;

- в научно-исследовательских работах, выполняемых на факультете.

В Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии:

- для практического обучения студентов в рамках бакалавриата и магистратуры по дисциплинам: «гидрология, климатология и метеорология», «экология землепользования», «картография», «природные техногенные комплексы и основы природообустройство» (специальности 12700 «Землеустройство и кадастры»; 280100.62 «Природообустройство и водопользование»);

- в дипломном проектировании и в научно-исследовательских работах, выполняемых по перечисленным направлениям подготовки.

• Некоторые результаты диссертационной работы использованы в работе научной школы ВГИ «НШ-1793.2003.5. Результаты исследований процессов облако- и осадкообразования, атмосферного и грозового электричества на основе дистанционного зондирования атмосферы и облаков активно-пассивными радиотехническими средствами» удостоены гранта Президента России в 2003 г.

• Результаты выполненных работ могут быть использованы для создания Российской системы прогноза и местоположения грозовых разрядов с целью обеспечения гидрометеорологической безопасности отраслей экономики и социальной сферы. Также они могут быть использованы для совершенствования методов и средств контроля опасных явлений погоды.

• В дальнейшем с использованием результатов диссертации могут выполняться следующие работы:

- разработка метода искусственного инициирования молний с помощью наземных и бортовых средств воздействия на электрические процессы;

- разработка и внедрение аппаратуры и методики оценки физической эффективности активных воздействий на облака с различными целями.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния физико-географических и орографических особенностей юга европейской части России на развитие атмосферных процессов и метеорологических явлений в регионе.

2. База данных, характеризующих атмосферные процессы, метеорологические явления и производство сельскохозяйственной продукции в регионе.

3. Результаты анализа и соответствующие карты, в том числе и электронные, пространственно-временных изменений режима атмосферных осадков, грозовой активности и параметров молнии в различных областях юга европейской части РФ.

4. Данные о параметрах молнии и грозовой активности для инженерных расчетов молниезащиты объектов на территории юга европейской части России.

5. Закономерности взаимосвязи сезонных изменений солнечной активности и грозовых явлений.

6. Результаты анализа спектральной структуры и фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих режим атмосферных осадков и грозовой активности на исследуемой территории.

7. Модели и результаты прогноза метеопараметров, характеризующих режим осадков и электрическую активность атмосферы в различных частях юга европейской территории РФ.

8. Взаимосвязь между агрометеорологическими факторами и продуктивностью сельскохозяйственных культур в различных частях юга европейской территории РФ.

9. Модель и рекомендации по адаптации производства сельскохозяйственной продукции к пространственно-временной динамике агрометеорологических факторов на юге европейской части России.

Личный вклад автора. Автору принадлежит основная идея работы, постановка задач исследования и выработанные алгоритмы для решения этих задач.

Совместно с соискателями, у которых автор диссертации осуществлял научное руководство, проведен сбор данных и на их основе создана база данных для анализа динамики их временных изменений.

Анализ влияния метеоусловий на производство сельхозкультур и их прогноз проведены автором с участием научного консультанта.

Использованный в диссертации экспериментальный материал собран лично автором или получен при непосредственном участии автора в ходе выполнения различных НИР и грантов.

В результате анализа и обобщения, полученных данных автором:

- с помощью аппаратно-программных средств уточнены некоторые закономерности климатических и физико-географических характеристик гроз и параметров молнии на территории Северного Кавказа;

- с помощью предложенной в диссертации методики обоснован метод прогноза метеорологических параметров и выделения скрытых периодичностей во временных рядах;

- с применением статистического анализа получены корреляционные взаимосвязи между различными характеристиками - урожайностью сельскохозяйственных культур и метеопараметрами, грозовой и солнечной активностью, электрическими параметрами и градообразованием в облаке;

- средствами ГИС технологий построены карты пространственно-временной динамики по территории юга европейской части России различных характеристик грозовой активности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью аналитических и численных методов исследования, большим массивом информационной базы, в качестве которой послужили ряды метеорологических наблюдений более 80 метеостанций Северо-Кавказского УГМС, метеорологические ежемесячники, архивные данные ФГБУ «ВГИ», сведения, опубликованные в периодических научных журналах и научной литературе. Справочные, информационные и фондовые данные обобщены автором в виде базы данных, в которую были включены также инструментальные данные грозорегистратора LS 8000.

Выполненные теоретические расчеты значения электрических токов и время их формирования подтверждены экспериментальными измерениями.

Апробация работы. Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на:

- Международной конференции «Системные проблемы надежности математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1998 г);

- Международной конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб стран СНГ (Москва, 1999 г);

- Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 70- летию Эльбрусской комплексной экспедиции АН СССР (Нальчик, 2005 г.);

- VIII, IX конференциях молодых ученых КБНЦ РАН (Нальчик, 2005, 2006 г.);

- VI-ой Всероссийской конференции по атмосферному электричеству (Нижний Новгород, 2007 г.);

- П-ой Международной конференции «Моделирование устойчивого регионального развития» (КБНЦ РАН, Нальчик, 2007 г.);

14

- Х1-ой Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование» (Томск, 2008 г.);

- У1-ой Международной конференции «Порядковый анализ и смежные вопросы математического моделирования» (Владикавказ, 2008 г.);

- IX Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Москва, 2008 г.);

- Международной научно-практической конференции: «Инженерные системы-2009» (Москва, 2009 г.);

- Международном Российско-Абхазском симпозиуме «Уравнения смешанного типа и родственные проблемы анализа и информатики» и VII Школы молодых ученых «Нелокальные краевые задачи и проблемы современного анализа и информатики» (Нальчик, 2009 г.);

- УН-ой Международной научной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию Адыгейского государственного университета, «НАУКА. ОБРАЗОВАНИЕ. МОЛОДЕЖЬ» (Майкоп, 2010 г.);

- Международной научно-практической конференции «Проблемы развития современного общества. Экономика. Социология. Философия. Право» (Саратов, 2010 г.);

- Х1У-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (Нижний Новгород, 2010 г.).

Публикации. Некоторые результаты диссертационной работы использованы в научно-методических разработках и учебных пособиях автора.

Основные результаты работы опубликованы в 68 работах, в том числе в 2 монографиях и в 16 научных статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций по данной специальности.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 312 страниц, включая 77 рисунков,

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Аджиева, Аида Анатольевна

Результаты исследования отражены в работах:

- Разумов В.В., Аджиев А.Х., Аджиева A.A. и др. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций. Российская Федерация/ под общ. ред. С.К,Шойгу.- М.: Дизайн. Информация. Картография, 2010,- 696 с.

- Ажиев А.Х., Аджиева A.A., Думаева JI.B. Определение динамических характеристик токов молниевых разрядов. - Известия Высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Естественные науки №6, 2011г. - С.27-30.

- Аджиева A.A., Хоргуани Ф.А. Грозы на Северном Кавказе и солнечная активность. Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы гидрометеорологии и экологии», посвященная 90-летию со дня рождения акад. Г.Г. Сванидзе, Тбилиси, 27-29 сентября 211 г. -С.48-49.