Грозовая активность на Востоке Сибири по наблюдениям с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Егорович

• Васильев, Алексей Егорович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Егорович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Гроза. Физика формирования грозы. Исследование грозы

1.1.1. Физика формирования грозы

1.1.2. Пространственное распределение гроз

1.1.3. Продолжительность гроз

1.1.4. Площадь гроз

1.1.5. Количество разрядов в очаге

1.1.6. Движение грозовых очагов

1.2. Связь грозовой деятельности с активностью Солнца 32 Выводы

ГЛАВА II. РЕГИСТРИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Регистрирующий комплекс

2.2. Методика дальнометрии

2.3. Выделение грозовых очагов. Кластерный анализ. Определение параметров грозовых очагов

2.4. Метод нахождения связи между вариациями космических лучей и грозовой деятельностью

Выводы

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЯ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ЯКУТИИ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНОГО

ГРОЗОПЕЛЕНГАТОРА - ДАЛЬНОМЕРА С 1993 ПО 2003 ГГ.

3.1. Суточные и сезонные вариации

3.2. Пространственное распределение грозовых разрядов в 1993

3.3. Параметры грозовых очагов

3.4. Связь грозовой деятельности с вариациями космических лучей 100 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Грозовая активность на Востоке Сибири по наблюдениям с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера»

Исследование гроз связано, прежде всего, с обеспечением безопасности жизнедеятельности человека. С развитием человеческой цивилизации и технической оснащенности жизни человека, явления природы несут угрозу и для человека и для его искусственной среды. В том числе, это относится и к грозам. В первую очередь, грозы угрожают линиям электропередач.

Также известны поражения ударом молнии летательных аппаратов, что, в лучшем случае, приводило к выходу из строя системы навигации. Были зафиксированы случаи потери спутников во время их запуска.

Особо опасны грозы в Сибири и на Дальнем Востоке. Это проявляется в том, что значительная часть лесных пожаров происходит из-за разрядов молний. Учитывая огромную территорию и малонаселенность региона, такие пожары обнаруживаются очень поздно, и наносится огромный ущерб лесным массивам и экологической обстановке.

По результатам исследований в России и за рубежом установлено, что в зависимости от местности и сезона до 50 % лесных пожаров может быть обусловлено грозовыми разрядами на малонаселенных территориях Российской Федерации. На территории же Якутии отмечаются годы с существенно большей вероятностью возгорания лесов от гроз. Можно отметить, например, что в 1991 году свыше 60% лесных пожаров имели грозовую природу, а в 1995 году - почти 70%. Все это определяет проблему изучения грозовой активности, как одну из важнейших в экологии и рациональном природопользовании. Поэтому большое внимание уделяется средствам наблюдения и прогнозирования грозовых явлений.

Актуальность работы:

Грозы относятся к опасным природным явлениям с широким воздействием на деятельность человека и наносят значительный материальный ущерб различным отраслям хозяйства. Особенную опасность представляют грозы для энергосистем и различных коммуникаций. Для отключений, отнесенных к грозовым, с помощью сети 81ЖУА обнаружены разряды в землю в пределах 16 км от линии и в пределах ± 1 мин от времени отключения. Такие разряды были зарегистрированы также для отключений по неизвестным причинам. Поэтому изучение грозовой деятельности является важным для обеспечения грозозащиты различных объектов и в первую очередь энергосистем.

Особо актуальна проблема лесных пожаров, возникающих из-за разрядов молний. Грозы на территории Якутии, несмотря на то, что они проявляются только в течение трех летних месяцев, приносят значительный ущерб хозяйству региона. Большинство лесных пожаров в труднодоступных районах происходят из-за гроз. Пожары в этом случае обнаруживаются очень поздно и поэтому занимают большие площади. Экологический ущерб от лесных пожаров усугубляется также продуктами горения биомассы, приводящими к значительному загрязнению атмосферы и изменению ее химического состава.

До настоящего времени для пространственного и временного распределения гроз на территории Якутии построены только фоновые карты. Существующие данные по распределению гроз были получены по визуальным и слуховым наблюдениям на метеостанциях и метеопостах Гидрометеослужбы. Радиус площади при визуальном наблюдении составляет до 15 км. Для районов, где нет метеостанций, проводятся интерполяционные оценки грозовой активности. Следовательно, затрудняется получение объективной картины грозовой активности на обширной территории.

Перед автором стояли задачи - изучить пространственное распределение грозовых разрядов на территории Якутии и исследовать параметры и поведение грозовых очагов. Конкретные задачи сводились к следующему:

- создание методики дальнометрии до грозовых разрядов от пункта наблюдения и разделения межоблачных и разрядов облако - земля;

- построение пространственного распределения грозовых разрядов на территории Якутии в период наблюдений 1993-2003 гг.;

- пространственно-временная кластеризация грозовых разрядов и изучение параметров и поведения мезо-масштабных грозовых комплексов;

- изучение связи между грозовой активностью и вариациями космических лучей (КЛ).

Научная новизна:

Впервые обобщены длительные исследования распределения гроз на территории Якутии с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера и построены карты пространственного распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии по инструментальным наблюдениям. Исследованы такие параметры мезо-масштабных грозовых комплексов, как интенсивность грозовых разрядов, скорость перемещения центра, занимаемая площадь и продолжительность жизни.

Впервые для Якутии рассмотрена связь между интенсивностью атмосфериков и вариациями космических лучей.

Научная и практическая ценность работы:

Разработана методика определения местоположения разряда молнии для дальностей до 1500 км, основанная на комбинировании амплитудных и спектральных методов дальнометрии и методика выделения наземных разрядов. По десятилетним наблюдениям построена карта распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии. Исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов.

Наблюдения за грозовой деятельностью имеет огромную практическую значимость. Полученные карты распределения гроз могут найти применение в различных службах, обеспечивающих безопасность в таких областях, как корректировка полетов авиации, защита коммуникаций, линий электропередач и др. Использование оперативных данных наблюдений за грозами повышает эффективность работ по предупреждению опасных последствий гроз.

Организована оперативная передача данных мониторинга гроз заинтересованным ведомствам (Авиалесоохране и МЧС).

На защиту выносятся:

- Методика локализации молниевого разряда в пределах 1500 км с помощью однопунктового пассивного грозопеленгатора-дальномера.

- Результаты инструментальных наблюдений грозовой активности, которые выявили неоднородности распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии.

- Результаты регистрации грозовых разрядов, позволившие выделить мезо-масштабные грозовые комплексы и определить их параметры: длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь. Обнаружено, что при движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

- Результаты исследования связи числа грозовых разрядов с вариациями космических лучей, заключающиеся в установлении эффекта понижения количества грозовых разрядов после усиления интенсивности КЛ и повышения числа разрядов - при ее ослаблении (Форбуш-эффектах).

Личный вклад автора:

Автор принимал участие в постановке задачи и наблюдениях, осуществил обработку экспериментального материала и провел научный анализ полученных результатов.

Апробация работы:

Материалы диссертации были доложены на Международной конференции "Интеркарто-5": ГИС для устойчивого развития территорий (Якутск, 1999); Лаврентьевских чтениях (Якутск, 2001, 2002); Всероссийской конференции «Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей» (Якутск. 2002); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Фундаментальные и прикладные проблемы физики на Севере» (Якутск, 2003); «Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству» (Владимир, 2003); конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2003).

По теме диссертации опубликовано 7 статей и 10 тезисов докладов конференций.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 106 наименований. Работа содержит 147 страниц, в том числе 83 рисунка, 8 таблиц, 29 страниц приложения.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Васильев, Алексей Егорович

Выводы:

Суточный ход грозовой активности в Якутии представляет собой простую волну с минимумом в утренние часы с 6 до 12 местного времени и максимумом в 17-20 ч.

Грозы в Якутии начинаются в конце мая — начале июня. В июле их число достигает максимума, после чего в большинстве сезонов достаточно резко затухает к сентябрю. Интенсивность грозовых разрядов в июле в 2-3 раза выше, чем в июне и августе.

Используемый пеленгатор позволяет строить карту распределения плотности грозовых разрядов с градациями по плотности в 1,5-2 раза и погрешности этой карты, вызванные аппаратурой, меньше 40%.

Полученные пространственные распределения плотности грозовых разрядов в целом говорят о том, что число гроз больше в юго-восточной части Среднесибирского плоскогорья (западная часть междуречья Лены, Вилюя и

Нижней Тунгуски), на Алданском нагорье и в предгорьях хребтов на юге и востоке Якутии. Центральная равнинная часть Якутии имеет пониженную грозовую активность в основном благодаря меньшему облачному покрову. Плотность грозовых разрядов в Якутии в зависимости от местности меняется от 0,5 до 4,5 разр./ км *год.

Основной причиной неоднородности распределения плотности грозовых разрядов по долготе является рельеф местности, определяющий различие условий развития грозовых очагов. Причиной активности западных и южных областей является также, по-видимому, западный перенос воздушных масс, встречающий неоднородности рельефа. Этот перенос ограничивается Верхоянским хребтом и системой хребтов в юго-восточной части Якутии.

Распределение плотности грозовых разрядов по широте, в общем, подчиняется географическому закону - в северной части Якутии число гроз существенно меньше, чем в южной. В горных районах пространственное распределение имеет ряд особенностей. Горизонтальные потоки воздуха, встречая на пути преграды, меняют направление, и возникают восходящие потоки. В результате подъема воздушные массы охлаждаются, и образуются грозовые облака. Таким образом, в распределении плотности грозовых разрядов возникает высотная поясность, барьерный эффект (западные предгорья Верхоянского хребта) и эффект межгорных понижений (между хребтами Сетте-Дабан и Сунтар-Хаята, Кюэлляхский и Усть-Вилюйский).

В 95 % случаев сигнал атмосфериков содержит 1-7 периодов (максимальное число атмосфериков имеет 3 периода).

Количество атмосфериков, рожденных отрицательными разрядами «облако-земля», приблизительно в 2 раза превосходит число атмосфериков, рожденных положительными разрядами.

Грозовые очаги состоят из 2-10 ячеек. Наиболее часто очаг состоит из 4-х ячеек. За час в ячейке бывает в среднем 20 разрядов. Разброс длительности существования грозы составляет от одного часа до полутора суток. Около 80 % всех очагов существуют менее 2 ч.

Интенсивность грозовых разрядов в очаге меняется (в 78% случаев) от 60 разр./ч. в начальной стадии до 100 разр./ч. в средней стадии и снижается до 40 разр./ч. в заключительной. В 12% событий максимум наблюдается в последней стадии и в 10% - в первой стадии. Количество же ячеек в очаге в среднем изменяется от 2 на начальной и конечной стадиях до 7 в средней стадии развития грозовых очагов. Интенсивность разрядов на 100 км2 в час изменяется от 0,04 до 14. Но основная масса (90% значений) находится в диапазоне от 0,1 до 7 разр/100 км в час. В очагах с меньшими площадями интенсивность разрядов больше, чем в более крупных очагах. С увеличением площади очагов интенсивность разрядов падает от 6 при 100 км2 до 0,3 при 10000 км2. При дальнейшем увеличении площади очагов интенсивность остается в среднем неизменной.

По результатам регистрации грозовых разрядов исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов (длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь). Мезо-масштабные комплексы с диаметром от 50 до 400 км имеют интенсивность 0,2 разряда/ 100 кв. км, существуют до 20 ч. и движутся со скоростью -40 км/ч. При движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

Установлена связь изменений количества грозовых разрядов с вариациями интенсивности космических лучей. Построенные вариации интенсивности атмосфериков относительно максимума потока космических лучей и минимума Форбуш-понижений показывают, что в обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыванием на 1-2 суток. В начале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее повышению КЛ, а затем ее повышение, соответствующие Форбуш-понижениям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика дальнометрии грозового разряда. Дальность до грозового разряда определяется как среднегеометрическая величина из четырех регистрируемых параметров: среднеквадратичных значений Е- и Н-составляющей сигнала атмосферика и числа положительных и отрицательных полупериодов Е-составляющей атмосферика, превосходящих уровень, равный 0,1 максимальной величины сигнала атмосферика.

2. Определена пороговая частота для разделения наземных и межоблачных разрядов. Проанализирован спектр атмосферика (1993-1995 гг.) и определена частота, для которой сумма спектральных плотностей левее этой частоты равна сумме спектральных плотностей правее нее. Разряды, имеющие частоту больше пороговой (~15 кГц), отбраковываются как межоблачные. Второй путь разделения наземных и межоблачных разрядов (1996-2003 гг.) - расчет коэффициента автокорреляции при сдвиге в 8 мкс (частота дискретизации АЦП 250 кГц) для сигналов, снимаемых с Е-антенны. Атмосферики, имеющие коэффициент автокорреляции, превышающий этот порог (соответствующий одной трети всех регистрируемых атмосфериков), рассматриваются, как вызванные молниевыми разрядами облако-земля.

3. Построены карты распределения грозовых разрядов за 1993-2003 гг. Используемый пеленгатор позволил построить карту распределения плотности грозовых разрядов с градациями по плотности с шагом в 1,5 - 2 раза. Погрешность этой карты, вызванная аппаратурой, составила меньше 40%.

4. По 10-летним данным инструментальных наблюдений грозовой активности выявлены неоднородности пространственного распределения гроз на территории Якутии. Установлено, что определяющим фактором является орография местности. В пространственном распределении гроз наблюдаются широтный эффект и высотная поясность. С увеличением широты число гроз уменьшается. В предгорьях и возвышенных местностях наблюдается больше гроз, чем на равнинах и высоко в горах. Наибольшая грозовая активность в течение всего периода наблюдений регистрировалась на юге и западе Якутии. Плотность разрядов в Якутии, в зависимости от местности, меняется от 0,5 до 4,5 разр./ км2*год.

5. Основной причиной неоднородности распределения плотности грозовых разрядов по долготе является рельеф местности, определяющий различие условий развития грозовых очагов. Причиной активности западных и южных областей является также, по-видимому, западный перенос воздушных масс, встречающего неоднородности рельефа. Этот перенос ограничивается Верхоянским хребтом и системой хребтов в юго-восточной части Якутии.

6. Суточный ход грозовой активности в Якутии представляет собой простую волну с минимумом в утренние часы с 6 до 12 местного времени и максимумом в 17-20 ч.

7. Грозы в Якутии начинаются в конце мая — начале июня. В июле их число достигает максимума, после чего в большинстве сезонов достаточно резко затухает к началу сентября. Интенсивность грозовых разрядов в июле в 2-3 раза выше, чем в июне и августе.

8. По результатам регистрации грозовых разрядов исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов (длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь). Мезо-масштабные комплексы с диаметром от 50 до 400 км имеют интенсивность 0,2 разряда/ 100 кв. км, существуют до 20 ч. и движутся со скоростью ~40 км/ч. При движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезо-масштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают.

9. Установлена связь изменений количества грозовых разрядов с вариациями интенсивности космических лучей. Анализ вариаций интенсивности атмосфериков относительно максимума интенсивности космических лучей и минимума Форбуш-понижений показывает, что в обоих случаях наблюдается двухфазный эффект с запаздыванием на 1-2 сут. В начале следует понижение интенсивности атмосфериков, соответствующее повышению КЛ, а затем ее повышение, соответствующие Форбуш-понижениям.

Автор благодарит научного руководителя, к.ф.-м.н. Козлова Владимира Ильича, за предоставленную возможность и за постоянную помощь в ходе исследования и при написании работы. Также заведующего лабораторией РИМ Муллаярова Виктора Арслановича, сотрудников лаборатории и Института за содействие и помощь в работе.

V.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Егорович, 2005 год

1. Алехина Н.М., Горбатенко В.П. Изменения грозовой активности над Западной Сибирью // Региональный мониторинг атмосферы. Часть 4. Природно-климатические изменения: Коллективная монография. Под ред. М.В. Кабанова. Томск: МГП «РАСКО». 2000. 270 с.

2. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. 1974. 420 с.

3. Раков В.А. Результаты работы многопунктовых пеленгационных систем местоопределения молний //Метеорология и гидрология. №7. 1993. С. 105114.

4. Алехина Н.М. Грозы юго-востока Западной Сибири и северо-востока Казахстана//Тр. Зап.-Сиб. РНИГМИ. Вып.49. 1980. С.68-74.

5. Мэйсон Д. Физика облаков. JL: Гидрометеоиздат. 1961. 427 с.

6. Лободин Т.В. К вопросу об ущербе, наносимом грозами // Труды ГГО. Вып. 486. 1986. С. 70-71

7. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Механизм образования электричества грозовых облаков. М.: ФИАН. 2002. 28 с.

8. Martell Е.А. Enhanced ion production in convective storms by transpired radon isotopes and their decay products. JGR. 1985. Vol.90. D4. P. 5909-5916.

9. Колоколов В.П., Павлова Г.П., Шевченко К.Б. Особенности грозовой деятельности в Ленинградской области в 1978 г. // Труды ГГО. Атмосферное электричество. Вып.442. 1981. С. 27-33

10. Иванидзе Т.Г. Метеорологические условия грозовой деятельности на территории Якутии: автореф. дис. . канд. физ-мат. наук. М. 1967. 16 с.

11. Справочник по климату СССР. Облачность и атмосферные явления. Гидрометеоиздат. Вып. 24. 1968. 296 с.

12. Филиппов А.Х. Грозы Восточной Сибири. Л.: Гидрометеоиздат. 1974. 75 с.

13. Изюменко С.А. Климат Якутска. Л: Гидрометеоиздат. 1982. 247 с.

14. Pierce Е.Т., Arnold H.R., Dennis A.S. Very Low Frequency Atmospherics due to Lightning Flashes // Report of USAF on Contract AF 33 (657) 7009. Stanford Res. Inst. Menlo Park, Cal., USA. 1962.

15. Pierce E.T. Latidunal variation of lightning parameters. J. Appl. Met., 1970. Vol.9. № l.P. 194-195

16. Prentice S.A., Mackerras D. The ratio of cloud to cloud-ground lightning flashes in thunderstorms. J. Appl. Met. 1977. Vol.16. № 5. P. 545-550

17. Иньков B.K., Махоткин Л.Г. Широтные особенности грозовой деятельности // Труды ГГО. Атмосферное электричество. 1981. Вып.442. С. 34-38

18. Наблюдения за грозами с помощью прибора OTD. Space Research: Optical Transient Detector - http://thunder.msfc.nasa.gov/otd/

19. Филиппов A.X., Хуторянская Д.Ф. Статистические характеристики гроз Якутии // Доклады Института географии Сибири и Дальнего Востока. Вып.31. 1971. С. 39-46.

20. Семилетов И.П., Савельева Н.И., Пипко И.И., Пугач С.П., Гуков А.Ю., Василевская Л.Н. Долгопериодная изменчивость в системе атмосфера-суша-море в Северо-Азиатском регионе // Труды Арктического регионального центра. Т.1. Владивосток. 1998. С.43-64.

21. Ершова Т. В. Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности: автореф. дис. . канд. физ-мат. наук. -Томск. 2004.

22. Исследования гроз на Аляске. Landscape Interactions With Thunderstorms in Interior Alaska http://nrm.salrm.uaf.edu/~dverbyla/gradstudents/dorte.html

23. Reap R.M. Evaluation of cloud-to-ground lightning data from the western United States for the 1983-84 summer seasons // J. Climate Appl. Meteorol., 1986. Vol.25.

24. Иванидзе Т.Г. Некоторые характеристики режима и аэросиноптических условий грозовой деятельности в Якутии // Метеорология и гидрология. №2. 1967. С.78-80.

25. Арабаджи В.И. Гроза и грозовые процессы. Минск: Изд-во БГУ. 1960. 242 с.26