Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Ершова, Татьяна Владимировна

• Ершова, Татьяна Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ершова, Татьяна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Источники информации о грозовой активности.

1.1.1. Визуально-слуховые наблюдения.

1.1.2. Счетчики разрядов молнии в землю.

1.1.3. Радиолокационные наблюдения.

1.1.4. Наземная система местоопределения молний.

1.1.5. Спутниковые наблюдения за молниями.

1.2. Факторы, определяющие неоднородность пространственного распределения грозовой активности.

1.2.1 .Синоптические процессы, обуславливающие грозы.

1.2.1.1. Над Западной Сибирью.

1.2.1.2. Над Южной Германией.

1.2.2. Влияние орографии на плотность разрядов молнии в землю.

1.2.3. Влияние климатических характеристик на пространственное распределение грозовой активности.

1.2.4. Аномалии геофизических полей.

1.2.5. Влияние уровня радиоактивности на грозовую активность.

1.2.5.1. Основные источники ионизации атмосферы.

1.2.5.2. Влияние повышенной радиоактивности на электрическое состояние и грозовую активность атмосферы.

1.2.6. Влияние городов на грозовую активность.

2. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПЛОТНОСТИ РАЗРЯДОВ МОЛНИИ В ЗЕМЛЮ.

2.1.Характеристика материала исследования.

2.1.1 .Статистическая обработка данных.

2.1.1.1. Проверка рядов на однородность.

2.1.1.2. Физико-статистические параметры молний.

2.1.1.3. Проверка близости распределения нормальному закону.

2.1.2. Пространственное распределение характеристик грозовой активности на территории южной Германии.

2.1.2.1. Пространственное распределение числа дней с грозой.

2.1.2.2. Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землю по наземной системе пеленгации.

2.1.2.3. Сравнительный анализ карт плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой.

2.1.3. Синоптическая ситуация при молниевых разрядах.

2.1.3.1. Циклоны над юго-востоком Западной Сибири.

2.1.3.2. Отношение количества грозовых разрядов к типу синоптической ситуации над Центральной Европой.

2.1.3.3. Количество разрядов молнии в землю и данные радиозондирования.

2.2. Метод оценки плотности разрядов молнии по спутниковым данным.

2.2.1. Сравнительный анализ наземных и спутниковых данных наблюдений для южной Германии.

2.2.2. Проверка полученных значений с помощью критерий X.

2.2.3. Оценка плотности разрядов молнии в землю для

Томской области.

2.2.4. Сравнение полученных результатов с предыдущими исследованиями.

2.2.4.1. Сравнение с картой плотности разрядов молнии в землю по счетчикам молний 1985-1987 гг.

2.2.4.2. Сравнение с картами, построенными по визу ал ьн ым н аб л юде н и я м.

2.2.5. Оценка максимально возможных значений плотности разрядов

• для Томской области.

2.2.5.1.Оценка поправки на годовой ход плотности разрядов.68 2.2.5.2. Оценка поправки на суточный ход плотности разрядов молнии в землю.

2.3. Соотношение данных о плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой.

2.3.1. Оценка эмпирических коэффициентов для отдельных

• метеостанций.

2.3.2. Проверка гипотезы о зоне "сильной" корреляции.

2.3.3. Оценка эмпирических коэффициентов для различных топографических групп.

3. ВЛИЯНИЕ НА ГРОЗОВУЮ АКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЮДЕЙ (ВКЛЮЧАЯ ВЛИЯНИЕ ГОРОДОВ) И УРОВНЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ.

• 3.1. Влияние на ¡розовую активность производственной деятельности людей (включая влияние городов).

3.1.1. Анализ грозовой активности на территориях с различной степенью устойчивости к антропогенным нагрузкам в Т'омской области.

3.1.2. Грозовая активность в рабочие и выходные дни для

Томской области.

• 3.1.3. Сравнение плотности разрядов молнии в землю над городами со средней плотностью над южной Германией.

3.1.4. Плотность разрядов молнии в землю в шести индустриальных районах южной Германии.

3.2. Анализ характеристик грозовой активности в зависимости от уровня радиоактивности.

3.2.1. Естественная фоновая радиоактивность и грозовая активность.

3.2.2. а-активность и число дней с грозой.

3.2.3. Влияние суммарной ß - радиоактивности воздуха на плотность разрядов молнии в землю.

3.2.4. Влияние штатной работы ядерных реакторов на плотность разрядов молнии в землю.

4. РОЛЬ МОЛНИЙ В ВОЗНИКНОВЕНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ТЕРРИТОРИИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Причины возникновения и распространения лесных пожаров (обзор литературы).

4.2. Роль молний - как главного природного источника лесных пожаров.

4.3. Влияние повышенных температур воздуха на число и площадь пожаров.

4.4. Временной ход характеристик пожаров.

4.5. Совместное влияние на площадь пожаров комплекса климатических характеристик - продолжительности гроз в часах и температуры воздуха.

4.6. Рекомендации для лесоохранных служб Томской области.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности»

С вопросами молииезащиты и пространственного распределения молниевых разрядов приходится сталкиваться специалистам многих отраслей, таких как энергетика, связь, строительство, авиация, космическая промышленность, сельское и лесное хозяйство. Возрастает количество высотных зданий и площадь застройки; в промышленности применяются горючие и взрывоопасные вещества; в электронике и связи чаще применяются чувствительные электронные приборы, которые чутко реагируют на возмущения, вызванные грозовыми разрядами. Результатом повреждений могут быть нарушения нормального функционирования производства, и в отдельных случаях поражения молнией приводят к трагическим последствиям.

В России основными источниками информации о грозоопасности территории являются визуально-слуховые наблюдения на метеорологических станциях и эпизодические инструментальные наблюдения. Вопросами грозового электричества и пространственного распределения характеристик грозовой активности в нашей стране занимаются в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, в Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского, в Высокогорном геофизическом институте на Кавказе и во многих других исследовательских центрах. Работы по исследованию характеристик грозовой активности и молииезащиты электрических сетей в лаборатории молииезащиты НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете ведутся с 1969 года. Данная диссертационная работа является продолжением и развитием этих исследований. Для немногих регионов пашей страны построены карты удельной поражаемостп молниями и изучены региональные среднестатистические параметры молнии.

Существует необходимость изучать пространственное распределение грозовой активности для территорий, обладающих плотной сегыо традиционных наблюдений за грозами и современными инструментальными наблюдениями (наземными и спутниковыми) с тем, чтобы применит!» полученные результаты в регионах с редкой сетью.

В литературе широко обсуждаются вопросы о причинах пространственной неоднородности фозовой активности, таких как высота места над уровнем моря, температура воздуха и характеристики влажное! и. Дополнительными факторами, влияющими на неоднородность грозовой активности, являются аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли, влияние городов и повышенного уровня радиоактивности. Возрастает необходимость в исследовании пространственного распределения грозовой активности, что особенно актуально для интенсивно осваиваемой территории Западной Сибири. Исследование региональной грозовой активности имеет как познавательное, так и большое практическое значение. Охрана лесов от пожаров и обеспечение надежной молниезащиты энергетических объектов, в том числе атомных реакторов - наиболее перспективные сферы приложения результатов исследования пространственного распределения грозовой активности. Решению этих вопросов и посвящена данная работа.

Целью работы является изучение физико-статистических параметров молнии и особенностей распределения плотности разрядов молнии в землю (¿\г) на основе наземных и спутниковых инструментальных наблюдений за грозами для разработки рекомендаций лесоохранным службам от пожаров.

Задачи исследования Разработка метода определения плотности разрядов молнии в землю на основе спутниковых наблюдений.

Выявление факторов, приводящих к неоднородности пространственного распределения грозовой активности.

Определение роли молний, как основного природного источника пожаров.

Исходный материал и методика

Для исследований выбрана территория Томской области и южная Германия. Для Томской области анализировались визуальные наблюдения на 23 метеорологических станциях с 1951 по 1995 гг. Территория Германии выбрана в качестве полигона исследования, для которого были доступны качественные данные многолетних визуальных (1951-2002 гг.) и инструментальных наблюдений (1992-2002 гг.). Для обеих территорий за период 1995-1999 гг. использованы данные наблюдения за грозовыми разрядами со спутника "Microlab-l". Методом исследования является корреляционно-статистический анализ многолетних данных наблюдений за грозами. Обработка данных наблюдений производилась на ГНС с помощью пакетов прикладных программ (Statistica, Statgraphics plus for Windows, Blitzstatistika, Exsel), использующих стандартные методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

2. Установлено статистически значимое влияние городов на увеличение плотности разрядов молнии в землю по сравнению с фоновыми значениями.

3. Установлено статистически значимое влияние повышенной радиоактивности над атомными реакторами южной Германии на плотность разрядов молнии в землю.

4. Определена роль молний в возникновении и распространении крупных лесных пожаров.

Положения, выносимые на защиту

1. Среднестатистические характеристики молний, используемые в молниезащите.

2. Закономерности влияния промышленных городов на пространственное распределение грозовой активности.

3. Закономерности влияния повышенного уровня радиоактивности на грозовую активность.

4. Метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

Практическая ценность

Построенная карта разрядов молнии в землю для Томской области может представлять практический интерес при проектировании линий электропередачи и планировании лесоохранных мероприятий.

Полученные эмпирические уравнения о связи различных характеристик гроз, а также значения среднестатистических параметров молний представляют практический интерес и могут быть использованы для молниезащитных мероприятий.

Разработанные рекомендации по наиболее вероятным очагам возгорания от молний и наиболее пожароопасным годам для Томской области, используются авиационной базой охраны лесов.

Апробация работы

Содержание работы и ее основные положения доклады нал и сь на Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству (г. Владимир, 21-26.09.2003), 12 International Conference on Atmospheric Electricity - ICAE 2003 (France, Versailles, 9-13.06.2003), VI Русско-корейском международном симпозиуме науки и технологий - KORUS-2002 (г. Новосибирск, 24-30.06.2002), Четвертом и пятом сибирском совещаниях по климато-экологическому мониторингу (г.Томск, 20.04.2001, 25-27.06.2003), I и II Международной конференции "Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики" (Томск, 5-8.09.2001, 27-31.10.2003), VII - IX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии'" (Томск, 26.02-2.03. 2001, 8-12.04.2002 и 7-9.04.2003), V - VII Международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова "Проблемы геологии и освоения недр" (Томск, 9-13.04.2001, 1-5.04.2002, 1418.04.2003), Региональной научной молодежной конференции "Географические проблемы Западной Сибири" (Томск, 21-23.12.2000), IV Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы" (Томск, 2429.04.2000), VII - IX Всероссийских научно-технических конференциях "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 5-7.12.2001, 13.12.2002, 3-5.12.2003), Научно-практической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения М.В. 'Громова "Проблемы гляциогидроклиматологии Сибири и сопредельных территорий" (1819.11.2002), на семинарах НИИ высоких напряжений при ТПУ.

По теме диссертации опубликовано 27 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из 4 глав.

В первой главе приводится описание основных источников информации о грозовой активности. Произведен обзор литературы о причинах пространственной неоднородности грозовой активности, таких как синоптическое состояние атмосферы, орография, темиературно-влажностные неоднородности, геофизические неоднородности земной поверхности (аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли). 15 качестве дополнительных причин неоднородности приводятся повышенная радиоактивность (после аварии на Чернобыльской АЭС) и влияние городов.

Во второй главе описывается разработанный метод опенки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным. Метод построен на сравнении результатов регистрации молний по наземной и спутниковой системам в южной Германии. В дальнейшем полученные уравнения для равниншлх участков Германии применяются для схожего ландшафта Томской области. Оцениваются максимально возможные значения плогносш разрядов молнии в землю, для этого вводятся поправки на годовой и суточный ход грозовой активности. Разработан алгоритм выделения районов "сильной" корреляции с использованием статистических характеристик данных. В основу проверки "сильной" корреляции внутри однородных районов положен метод коллективного принятия решения. Уточнены эмпирические коэффициенты в уравнениях пересчета плотности разрядов молнии по данным о числе дней с грозой для плоскогорий, склонов и холмов.

В третьей главе анализируется антропогенное влияние на ¡розовую активность, включая роль городов и влияние уровня радиоактивности (гамма фона, альфа- и бета-активности) на грозовую активность. Анализируется влияние штатной работы атомных реакторов на плотность разрядов молнии в землю.

В четвертой главе рассмотрена роль молнии на характеристики лесных пожаров. Разрабатываются рекомендации лесоохранным службам Томской области относительно наиболее опасных очагов возгорания от молний. Строится прогноз о ближайших возможных годах с повышенной пожароопасностыо.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Ершова, Татьяна Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе исследований, изложенных в данной работе, автором исследованы физико-статистические параметры молний и особенности пространственного распределения грозовой активности на основе данных наземной и спутниковой систем местоопределения молний.

Работа проводилась в соответствии с техническим заданием госбюджетной работы "Исследование взаимосвязи грозовой деятельности и состояния природной среды", а также при поддержке гранта фонда ЕЫВ\¥ технического университета во время стажировки в Институте метеоролог ии и климатологии Исследовательского центра г. Карлсруэ (Германия).

Полученные результаты применены в разработке рекомендаций для лесоохранных служб от пожаров.