Исследование опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в Северо-Кавказском регионе РФ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат наук Шаповалов, Максим Александрович

• Шаповалов, Максим Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Шаповалов, Максим Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПАСНЫХ БЫСТРОРАЗВИВАЮЩИХСЯ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1 Опасные гидрометеорологические процессы на территории Северного Кавказа

1.2 Основные физические представления о формировании быстроразвивающихся конвективных процессов

1.3 Радиолокационное обнаружение облаков, осадков, молний

1.4 Модели мощных конвективных облаков с учетом электрических процессов

Глава 2. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ОБЛАКА С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1 Описание численной модели конвективного облака с учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов

2.2 Численные методы и алгоритмы расчетов системы уравнений модели

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ, МИКРОСТРУКТУРНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ

3.1 Результаты численного моделирования мощного грозового

облака

3.2 Исследование трансформации микроструктурных и электрических параметров мощных конвективных облаков

3.3 Динамика параметров конвективного облака на стадии роста

Глава 4. ОБНАРУЖЕНИЕ И РАСПОЗНАВАНИЕ ОПАСНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

4.1 Современные технические средства дистанционного зондирования атмосферы и грозопеленгации

4.2 АРМ объединения радиолокационной и грозопеленгационной информации

4.3 Алгоритмы и критерии распознавания опасных конвективных процессов

4.4 Методика анализа и текущего прогноза динамики опасных конвективных процессов

4.5 Некоторые результаты обработки данных грозопеленгации в Северо-Кавказском регионе

4.6 Чрезвычайные ситуации на Северном Кавказе вследствие гроз

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в Северо-Кавказском регионе РФ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Безопасность жизнедеятельности людей и защита различных объектов от воздействия опасных явлений погоды, таких как: ливни, грозы, град, смерчи определяются следующими основными факторами. Во-первых, это степень их изученности, возможность математического описания физических процессов в них, оценка их потенциальных характеристик, математическое моделирование эволюции при определенных состояниях атмосферы. Во-вторых, это своевременное обнаружение опасных явлений радиотехническими средствами на большом удалении, оценка степени их опасности, прогноз траектории, скорости распространения, учащенный контроль их состояния и др.

Оба эти направления достаточно интенсивно развиваются в мире и в нашей стране. Совершенствуются модели, описывающие динамику грозоградовых процессов, развиваются наземные и космические средства мониторинга опасных явлений погоды (ОЯП), создаются оперативные региональные и государственного уровня центры штормового оповещения. Разрабатываются методы усвоения данных наблюдений и комплексирования информации, полученной по различных физическим каналам. В результате появились так называемые системы наукастинга, объединяющие мезомасштабные модели тропосферы и данные натурных наблюдений для текущего прогноза ОЯП.

Существенные результаты получены за последние десятилетия как по физике облаков, так и по радиолокационной метеорологии. Большой вклад в развитие метеорологической науки внесли коллективы ЦАО, ГГО, ВГИ, РГГМУ, ИЭМ и др. Математическое моделирование облаков получило широкое развитие в нашей стране (Е.Коган, Л.Качурин, В.Хворостьянов, И.Мазин, Б.Сергеев, М.Буйков, В.Бекряев, Р.Пастушков, Б.Ашабоков и др.) и за рубежом (Р.Орвил, Р.Фарлей, Т.Кларк и др.). Результаты численного

моделирования способствовали установлению основных закономерностей образования и развития конвективных облаков и основных процессов, приводящих к формированию и росту частиц осадков.

Наряду с успехами, достигнутыми в физике облаков за последние десятилетия, следует отметить, что некоторые вопросы еще остаются малоизученными. Это относится, прежде всего, к процессам в облаках с участием ледяных частиц, электричеству облаков, взаимодействию процессов в облаках и т.д.

Важной задачей является также 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. Знание причин возникновения и характера стихийных бедствий позволяет при заблаговременном принятии мер защиты, при оповещении населения в значительной мере снизить все виды потерь. Одна из главных проблем, которая сегодня выходит на первый план - правильное прогнозирование возникновения и развития стихийных бедствий, заблаговременное предупреждение, как органов власти, так и населения о приближающейся опасности.

Цель работы

Цель диссертационной работы заключается в исследовании закономерностей трансформации микроструктурных и электрических параметров опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в атмосфере в Северо-Кавказском регионе, а также в разработке программных средств комплексной обработки информации штормооповещения.

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

1. Проведение численных экспериментов и анализ результатов моделирования параметров грозоградовых процессов на основе трехмерной

нестационарной модели с детальным описанием термодинамических, микрофизических и электрических процессов.

2. Исследование особенностей трансформации микроструктурных и электрических параметров мощных конвективных процессов при различных состояниях атмосферы.

3. Разработка программных средств приема, архивации и отображения данных радиолокации и грозопеленгации, анализа объединенной информации с целью идентификации опасных явлений погоды.

4. Выявление особенностей пространственно-временной динамики грозовой активности и параметров молний в Северо-Кавказском регионе по данным наблюдений.

5. Разработка элементов системы наукастинга опасных быстроразвивающихся явлений погоды.

Объектом исследования являются опасные конвективные процессы — ливни, грозы, град, развивающиеся на территории Северо-Кавказского региона РФ.

Материалы и методы исследования

Использованы данные полевых наблюдений облаков с помощью метеорологических радиолокаторов МРЛ-5 и ДМРЛ-С, характеристики гроз, полученные в «ВГИ» с использованием современной грозопеленгационной системы ЬБ 8000 мирового уровня, данные аэрологического зондирования и

др.

При выполнении работы использована развитая численная трехмерная модель конвективного облака с учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов. Модель реализована с применением конечно-разностных методов.

При анализе данных наблюдений использовались корреляционно-регрессионный анализ, спектральный анализ рядов, аппроксимация и экстраполяция и др.

Научная новизна исследования

Научная новизна работы заключается в следующем:

• На основе математического моделирования впервые исследованы особенности развития опасных быстроразвивающихся конвективных процессов в Северо-Кавказском регионе, определена динамика изменения параметров грозоградовых облаков на стадии роста и максимального развития;

• Исследованы электрические характеристики мощных конвективных облаков в различные моменты времени и их взаимосвязь с микроструктурными параметрами;

• Исследовано влияние электрической коагуляции на скорость образования осадков в грозоградовых облаках;

• Разработано программное обеспечение приема и комплексной обработки радиолокационных и грозопеленгационных данных с целыо идентификации и текущего прогноза опасных явлений погоды;

• Проведены исследования грозоразрядной деятельности на территории региона и ее взаимосвязь с метеорологическими параметрами и рельефом.

Теоретическая и практическая значимость работы

• Исследование взаимодействия различных процессов в облаках расширяет теоретическую базу знаний по физике облаков;

• Результаты моделирования опасных быстроразвивающихся конвективных процессов могут применяться в программно-математическом обеспечении комплексной обработки данных штормооповещения;

• Районирование территории Северного Кавказа по частоте проявления опасных гидрометеорологических явлений позволят учитывать риски, связанные с ними, в стратегиях социально-экономического развития региона;

• Результаты диссертационного исследования могут быть использованы для усовершенствования методов и средств контроля опасных

явлений погоды, а также для создания региональных систем текущего прогноза их перемещения и интенсивности.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты численного моделирования микроструктурных и электрических параметров мощных конвективных процессов в СевероКавказском регионе.

2. Программно-математическое обеспечение приема и комплексного анализа радиолокационной и грозопеленгационной информации для целей штормооповещения.

3. Результаты исследований влияния физико-географических и орографических особенностей Северного Кавказа на развитие атмосферных процессов и метеорологических явлений в регионе.

Лнчный вклад автора

Совместно с научным руководителем сформулированы цель и задачи диссертационного исследования. Самостоятельно проведены численные эксперименты по исследованию динамики развития мощных конвективных облаков при различных состояниях атмосферы, проанализированы результаты.

При участии научного руководителя уточнены закономерности физико-географических характеристик гроз и параметров молний в СевероКавказском регионе.

Автором лично разработаны алгоритмы и программное обеспечение по комплексному анализу радиолокационных, грозопеленгационных и спутниковых данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью аналитических и численных методов исследования, большим массивом информации и широкой сравнительной базой. Использованы современные интегрированные системы разработки математических моделей и прикладного программного обеспечения, которые включают средства детального контроля и отладки.

Апробация работы

Полученные в ходе выполнения диссертационного исследования результаты докладывались и обсуждались на:

Международном симпозиуме «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», посвященном 20-летию КБНЦ РАН, г. Нальчик, 28 июня-3 июля 2013; Международной научной конференции с элементами научной школы «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», г. Ставрополь, 23-26 сентября 2013 г; Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР, г. Нальчик, 7-9 октября 2014; на Общегеофизических семинарах и Итоговых сессиях Ученого совета ФГБУ "ВГИ".

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 10 работах, в том числе 4 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных исследований.

Структура п объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 128 страниц, включая 32 рисунка и список литературы из 112 наименований работ.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, характеризуется существующая база по исследуемому вопросу, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе представлены результаты анализа материалов публикаций, посвященных исследованию термодинамических, микрофизических и электрических процессов в мощных быстроразвивающихся конвективных облаках.

Проанализированы программные средства объединения данных наблюдений опасных явлений погоды радиолокационными средствами в региональном масштабе. Проведен анализ современных численных моделей и полученных на их основе результатов.

Во второй главе представлена трехмерная нестационарная модель конвективных облаков с детальным учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов. Приведены уравнения модели, методы и алгоритмы решения. Постановка задачи включает расчет объемных электрических зарядов в облаке, потенциала и напряженности электростатического поля, а также влияния поля на коагуляционные процессы.

В третьей главе представлены некоторые результаты численного моделирования микроструктурных и электрических параметров мощных конвективных облаков. Определены микроструктурные характеристики облака на разных стадиях развития. Приведены результаты исследований электрического заряда в облаке, потенциала и напряженности электростатического поля в различные моменты времени. Значения напряженности электрического поля учитывались при определении коэффициентов коагуляции облачных частиц. Исследована динамика изменения параметров быстроразвивающихся конвективных процессов.

В четвертой главе представлено программное обеспечение комплексной обработки радиолокационных и грозопеленгационных данных, предназначенное для идентификации опасных явлений погоды в СевероКавказском регионе. Радарные и грозопеленгационные данные обеспечивают распознавание явлений погоды, их локализацию на фоне карты региона. Совмещение данных от различных источников метеорологической информации обеспечивает повышение информативности системы и надежность идентификации метеорологических явлений.

Глава 1

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПАСНЫХ БЫСТРОРАЗВИВАЮЩИХСЯ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

В главе приведен обзор современного состояния исследований опасных быстроразвивающихся конвективных процессов. Проанализированы наиболее адекватные концепции их формирования, численные модели, описывающие эволюцию параметров мощных конвективных облаков. Определены проблемы по физике грозоградовых облаков, которые требуют дальнейших исследований.

1.1 Опасные гидрометеорологические процессы на территории Северного Кавказа

На территории России, обладающей чрезвычайно большим разнообразием геологических, климатических и ландшафтных условий, наблюдается более 40 опасных природных процессов и явлений, среди которых наиболее разрушительными являются наводнения, подтопления, землетрясения, оползни, сели, снежные лавины, ураганы, градобития и т.д. [48]. В наибольшей мере опасными процессами поражены горные районы, а по величине ущерба от стихийных явлений выделяются урбанизированные территории с большой плотностью населения, в том числе, крупные города.

Наибольшим риском стихийных природных бедствий на территории России характеризуется юг европейской части России [21,41,43,55]. На территории региона происходит треть всех чрезвычайных ситуаций природного характера, наблюдающихся в стране. Большинство чрезвычайных ситуаций на территории округа, обусловленных проявлением опасных природных процессов и явлений, происходит в зонах проживания и активной производственной деятельности населения. Сельскохозяйственное

производство в округе несет большие потери от стихийных природных процессов.

Активному проявлению широкого спектра опасных атмосферных и гидрологических процессов способствуют сложные физико-географические условия региона. В горной части округа, при наличии сильно расчлененного рельефа крутыми склонами и значительной глубиной вреза узких речных долин, наиболее активными процессами являются лавины, сели, обвалы, ледниковая деятельность. Хотя факторы образования и характер проявления этих процессов различны, все они в значительной степени связаны с высокими значениями градиента силы тяжести. Для равнинной части и предгорий характерен свой набор природных опасностей, среди которых преобладают засухи, наводнения, паводки, ливни, град, грозы и др. Большая часть территории региона находится в сейсмически опасной зоне с возможной интенсивностью землетрясений до 9 баллов. При этом высока вероятность того, что сейсмическая активность может спровоцировать другие опасные процессы - обвалы, лавины, оползни, сели и др. Подобное наложение различных процессов способно значительно увеличить последствия стихийных бедствий и общий ущерб от них [22,43,48].

Результаты исследований опасных природных процессов и явлений на территории юга европейской части России, которые осуществлялись на протяжении всего XX и начала XXI столетий многими научными, научно-производственными и учебными заведениями страны [28,30,42,43,48], свидетельствуют о многогранности исследуемой темы, ее научной и практической значимости. Сбор фактического материала для оценки масштабов распространения и степени проявления опасных природных процессов и явлений на юге европейской части России в работе выполнен на основе экспедиционных исследований, обзора литературных и фондовых материалов, имеющихся в различных министерствах и ведомствах страны, Южного регионального центра МЧС РФ, Управлений МЧС субъектов РФ в пределах округа (государственные доклады и отчеты различных министерств

и ведомств РФ, архив МЧС РФ, справочники и информационные бюллетени по опасным природным процессам и явлениям в субъектах РФ), а также в архивах ФГБУ «ВГИ».

Выполненный в диссертационной работе анализ показал, что большинство чрезвычайных ситуаций на территории региона, обусловленных проявлением опасных природных процессов и явлений, происходит в зонах проживания и активной производственной деятельности населения. Основная часть территории региона расположена в зоне рискованного земледелия, в связи с чем, сельскохозяйственное производство в округе несет большие потери от стихийных природных процессов.

О величине суммарного ущерба, наносимого каждым из видов опасных природных процессов, в определенной степени можно судить по затратам из бюджетов разных уровней на ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций (таблица 1).

Согласно данным таблицы, основной ущерб на территории округа наносят засухи, наводнения и паводки, заморозки, градобития, различные разновидности сильного ветра.

Ежегодный материальный ущерб в Южном федеральном округе от чрезвычайных ситуаций, вызванных опасными процессами и явлениями природного характера составляет в среднем 11,7 млрд. руб. в год [1,48]. Наибольший ущерб природные опасные явления наносят Ставропольскому и Краснодарскому краям, Кабардино-Балкарской Республике, Ростовской области. При всей условности и приблизительности полученных оценок, не учитывающих целый ряд других, менее значимых, природных опасностей, эти данные позволяют конкретизировать наиболее опасные природные процессы и районы их проявления и уточнить величину затрат, связанных с предупреждением и ликвидацией последствий возможных ЧС.

Таблица 1.1 - Суммарный годовой ущерб от чрезвычайных ситуаций, обусловленных стихийными явлениями погоды, ликвидация последствий которых осуществлялась из федерального и местных бюджетов субъектов

Южного и Северо-Кавказского федеральных округов [1,48]

Стихийные явления погоды Среднегодовой ущерб от ЧС федерального значения, млн. руб. Среднегодовой ущерб от ЧС локального значения, млн. руб. Всего в год млн. руб.

Засуха 1495,1 2275,7 3770,8

Наводнения и паводки 3592,9 136,0 3728,9

Заморозки 60,2 626,0 1233,2

Градобития 467,1 665,9 1133,0

Шквальный ветер, буря 252,1 330,9 583,0

Сель 210,0 80,0 290,0

Вымокание 76,2 157,4 233,6

Сильный снегопад, метель 61,7 72,1 133,8

Снежные лавины 98,0 98,0

Смерчи 85,0 85,0

Пожары природные 8,0 8,0 16,0

Другие процессы и явления 122,8 235,0 357,8

Всего 6893,1 4770,2 11663,3

Наиболее часто чрезвычайные ситуации в округе возникали вследствие ураганов, смерчей, шквалов, пожаров, дождей, паводков.

Большинство вышеприведенных природных процессов и явлений обусловлены температурно-ветровым режимом атмосферы, а также количеством и интенсивностью осадков. Эти факторы также определяют развитие грозоградовых явлений, наносящих значительный материальный ущерб хозяйственной деятельности человека [24,42,57,62]. По данным Всемирной метеорологической организации ежегодный ущерб от града мировому сельскохозяйственному производству составляет десятки миллиардов долларов США.

Выпадение градовых частиц на землю приводит к повреждению сельскохозяйственных культур, разрушению крыш, остеклений и других элементов хозяйственной деятельности человека. Градобитие особо опасно для сельскохозяйственных культур. Поэтому, снижение потерь от градобитий является важным источником повышения ресурсов жизнедеятельности человека. В связи с этим, в ряде стран осуществляют научные и оперативные работы по регулированию градообразования в облаках с целью снижения воздействия градовых явлений на сельскохозяйственные культуры.

В работе [1] выполнены достаточно полные исследования климатологии града для всей территории бывшего СССР, а также ряда зарубежных стран. Исследования климатологии града в регионах применения российской технологии противоградовой защиты (ПГЗ) осуществлялось на основе сведений о выпадении града по данным метеорологической сети. На основе статистического анализа этих данных была построена карта повторяемости выпадения града по территории бывшего Советского Союза, проведено районирование территории СССР и разных регионов по ущербу от града.

Грозовые процессы наносят значительный ущерб отраслям человеческой деятельности. Ущерб от воздействия грозовых явлений на

электрические сети в США по данным НИИ электроэнергетики (ЕРЮ) оценивается в 50 млн. долларов в год [73,82,102].

Правильная организация молниезащитных мероприятий во многих случаях позволяет избежать ущерба или существенно снизить его.

Для разработки рекомендаций по грозозащите конкретных объектов (зданий, сооружений и др.) необходимо использовать данные инструментальных измерений параметров молний [3,47]. К этим параметрам относятся амплитуда тока молний (/л,), длительность его нарастания до максимального значения (тф), крутизна тока молнии (отношение Зм к тф) и удельная поражаемость земли молниями в год (п). В работе [4] в числе других решалась задача определения этих параметров для территории юга европейской части России и исследовалось воздействие молний на различные объекты. Полученные данные являются основой для проведения молниезащитных мероприятий для проектируемых объектов на рассматриваемой территории.

Кроме рассмотренных выше процессов (гроза и град), к опасным атмосферным явлениям относятся и другие неблагоприятные явления погоды: температурные аномалии, осадки, ветры и т.д., оказывающие негативное воздействие на людей и производственную деятельность.

1.2 Основные физические представления о формировании быстроразвивающихся конвективных процессов

В настоящее время существует ряд полуэмпирических теорий о механизме быстрого роста осадков в мощных грозоградовых облаках [9,62,70,75,82,100,111]. Большой объем исследований гроз и града проведен в Высокогорном геофизическом институте, который является ведущим учреждением в Росгидромете по противоградовым работам.

В результате кропотливых многолетних исследований в институте была разработана концепция образования и роста града в мощных конвективных облаках. Основной причиной возникновения градовых облаков, по мнению специалистов ВГИ [62], являются восходящие (конвективные) потоки воздуха, обусловленные разностью температур окружающей среды и поднимающегося воздуха, создающей "плавучесть" облачной массы.

Подъем воздушных масс в кучевом облаке в первой стадии его развития осуществляется за счет отдельных пузырей теплого воздуха, которые при дальнейшем развитии облака объединяются и создают струю восходящего потока. Скорость восходящего потока растет от основания облака до уровня Ъ^ на котором достигает максимальное значение \Ут (в мощных быстроразвивающихся облаках скорость восходящего потока достигает 30 40 м/с). При дальнейшем подъеме скорость восходящего потока убывает к вершине облака (к верхней границе конвекции). Величина скорости восходящего потока на каждом уровне определяется плавучестью воздуха. Описанное распределение скорости восходящих потоков с высотой создает условия для аккумуляции значительного количества воды в жидком или твердом виде над уровнем максимальной скорости восходящего потока Zm. Если величина максимальной скорости Wm(z) превышает скорость разбрызгивания капель и лежит ниже уровня естественной кристаллизации крупных капель (-18...-20°С), то аккумуляция воды в верхней части облака происходит главным образом за счет крупных капель, образовавшихся на гигантских ядрах конденсации в нижней части облака.

В верхней части облака над уровнем максимальных скоростей восходящего потока происходит накопление крупных облачных частиц. Образуется "крупнокапельная фракция" или "зона аккумуляции". Фазовое состояние выпадающих из облака осадков в значительной степени зависит от того, в каком температурном интервале облака происходит накопление крупнокапельной фракции. Если верхняя граница зоны аккумуляции

расположена на уровне изотермы -18°С, то капли в зоне аккумуляции не замерзают и вода в облаке накапливается в виде крупных, возможно, переохлажденных капель. В данном случае из облака выпадают ливневые осадки. В случае, когда зона аккумуляции располагается в облаке таким образом, что на ее нижней границе температура ниже -25°С, все крупные капли, попадая в зону аккумуляции, замерзают. Дальнейший рост частиц в зоне аккумуляции происходит за счет набегающей снизу мелкокапельной переохлажденной фракции. В этом случае, при падении в теплой части атмосферы ледяные частицы или полностью тают, или же при низком положении нулевой изотермы падают на землю в виде крупы или мелкого града.

Рост града от 0.1 до 2 - 3 см., согласно радиолокационным исследованиям, происходит за 4 - 5 минут, в тоже время расчеты скорости коагуляционного роста за счет мелкокапельной фракции показывают время более 30 - 40 минут [37,38,49]. Объяснить такое противоречие можно, допустив, что основной рост града происходит в зоне аккумуляции за счет коагуляции зародышей града с переохлажденными крупными каплями, при этом водность крупнокапельной фракции должна составлять более 20 г/м3.

Однако, существование областей с указанной водностью экспериментально не было подтверждено.

В работе Дессенса [80] представлена модель образования града в мощных конвективных облаках. По его мнению, в мощном кучевом облаке мелкие капельки воды диаметром 10 мкм и концентрацией около 500 см" поднимаются в трубах восходящего потока до уровня естественной кристаллизации. На уровне температуры -12°С в восходящих струях начинают появляться отдельные кристаллики льда концентрацией —10 см" . Примерно такая концентрация сохраняется до изотермы -32°С, выше которой концентрация увеличивается и при температуре ниже -35°С все капельки воды кристаллизуются. Наковальня мощного конвективного кучевого облака расположена выше изотермы -35°С, значит полностью состоит из ледяных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шаповалов, Максим Александрович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абшаев М.Т., Малкарова A.M. Оценка эффективности предотвращения града. — Л.: Гидрометеоиздат, 2006. - 279 с.

2. Аджиев А.Х., Аджиева A.A., Дорина А.Н. Определение параметров молниевых разрядов с использованием грозорегистратора LS 8000 // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Физика атмосферы. - 2010. Спец. выпуск. - С. 10-12.

3. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Грозы Северного Кавказа. — Нальчик, 2011.- 151с.

4. Аджиева A.A. Анализ и прогноз пространственно-временного распределения опасных метеорологических процессов на юге европейской части России и разработка мероприятий по снижению риска их развития: Дис... доктора физико-математических наук.-Нальчик, 2012.-312 с.

5. Аджиева A.A., Шаповалов В.А., Машуков И.Х., Скорбеж H.H., Шаповалов М.А. Обнаружение и распознавание опасных конвективных процессов радиотехническими средствами// Известия Вузов. СевероКавказский регион. Естественные науки. - №1 (179), 2014.- С. 59-62

6. Ашабоков Б.А, Федченко Л.М., Шаповалов А.В, Езаова А. Г., Шаповалов М.А. Численные эксперименты по исследованию формирования микроструктурных характеристик грозоградовых облаков// Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - №3, 2014.-С.40-44.

7. Ашабоков Б.А., Шаповалов A.B., Шаповалов М.А., Езаова А.Г., Продан К.А. Математическое моделирование ослабления лазерного излучения ИК диапазона в облачной среде // Внутривузовский сборник научных трудов «Известия Кабардино-Балкарского научного центра». — Нальчик. -2013. -№1 - С. 97-100.

8. Ашабоков Б.А., Шаповалов В.А., Езаова А.Г., Шаповалов М.А.

«Исследование образования ледяной фазы в мощных конвективных облаках на основе трехмерной численной модели»// Естественные и технические науки.- № 5(73), 2014.- С.78-83

9. Ашабоков Б.А., Федченко JI.M., Шаповалов A.B. Способ предотвращения образования крупных градин в облаках (изобретение). -Патент № 2073419, зарегистрирован 20.02.1997.

10. Базлова Т.А., Бочарников Н.В, Брылев Г.Б. и др. Метеорологические автоматизированные радиолокационные сети. — JL: Гидрометеоиздат, 2002.-331 с.

11. Бейтуганов М.Н., Белгороков Л.Г. Исследование взаимодействия двух частиц в электрическом поле // Труды ВГИ, 1987. - Вып. 69. - С. 8-11.

12. Бибилашвили Н.Ш., Бурцев И.И., Серегин Ю.А. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-168 с.

13. Брылёв Г.Б., Гашина С.Б., Низдоймипога Г.Л. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -231 с.

14. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс: пер. с англ. под ред. П. А. Чочиа. М.: Техносфера, 2006. - 1072 с.

15. Грузман, И.С. Цифровая обработка изображений в информационных системах / И.С. Грузман и др.: Учебное пособие Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.- 168. с.

16. Довгалюк Ю.А. и др. Концепция разработки трехмерной модели осадкообразующего конвективного облака. Часть I: Структура модели и основные уравнения гидротермодинамического блока // Труды ГГО.-2008. Вып. 558. - С. 102-142.

17. Довгалюк Ю.А. и др. Концепция разработки трехмерной модели осадкообразующего конвективного облака. Часть II: Микрофизический блок модели// Труды ГГО.- 2010. Вып. 562. - С. 7-39с.

18. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 512 с.

19. Доплеровский метеорологический радиолокатор ДМРЛ-С.-http://www.lemz.ru/goods/metrls/dmrlc

20. Дуда Р. Распознавание образов и анализ сцен. / Пер. с англ. М.: Мир, 1976г.-511 е..

21. Игнатов В.Г., Бутов В.И. Южная Россия и ее регионы. - М.: Ростов-на-Дону.: изд. Центр «МарТ», 2006. - 303 с.

22. Израэль Ю.А. Проблемы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему и возможности биосферы // Материалы Всемирной конференции по изменению климата. - Москва, 29 сентября - 3 октября 2003. - С. 19-21.

23. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. -Л.:Гидрометеоиздат, 1971. - 93 с.

24. Калов Х.М., Калов Р.Х. Активное воздействие на грозоградовые облака с целью обеспечения безопасности жизнедеятельности населения в градоопасных районах // Изд-во «Новые технологии », «Безопасность жизнедеятельности». - 2009. - №6. - С. 6-11.

25. Капитанников и др. Аппаратно-программный комплекс управления AB на грозоградовые процессы МЕРКОМ /Капитанников A.B., Тапасханов В.О., Шаповалов A.B., Атабиев М.Д., Колосов М.В., Чочаев Х.Х., Пометелышков В.А., Бейтуганов М.Н., Вавилов П.Е., Сокол В.И., Атабиев З.М./ Конференция ВГИ, 2014 г

26. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 464 с.

27. Кобзуненко А.Г., Неизвестный А.И. О коэффициенте гравитационно-турбулентной коагуляции облачных капель // Сб. статей «Вопросы физики облаков». - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - С. 130-141.

28. Кобышева Н.В., Наровлянский Г.Я. Климатологическая обработка метеорологической информации. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. —295 с.

29. Коган Е. Л., Мазин И. П., Сергеев Б. Н., Хворостьянов В. И. Численное моделирование облаков. М., 1984.-186 с.

30

31

32

33

34

35

36

37,

38,

39

40

41

42,

43,

44,

Кондратьев В. А. Изменения глобального климата: нерешенные проблемы // Метеорология и гидрология, 2004. - №6. -С. 118-128. Кондратьев К.Я. Неопределенности данных наблюдений и численного моделирования климата // Метеорология и гидрология, 2004. — №4. — С. 61-96.

Красногорская Н.В. Влияние электрических сил на коагуляцию частиц сравнимых размеров // ИАН СССР. ФАО, 1965. - Т. 1. - С. 339-345. Кузнецов А.Д., Меньшов М.А., Сероухова О.С., Симакин А.Д. К вопросу о сверхкраткосрочном прогнозе (СКП) эволюции облачного образования // РГТМИ.- СПб, 1995.

Куповых Г.В., Морозов В.Н., Шварц Я.М. Теория электродного эффекта

в атмосфере. - Таганрог: Издательство ТРТУ, 1998. - 123 с.

Левин Л.М. Электрическая коагуляция облачных капель // Тр.

Эльбрусской высокогорной экспедиции, 1961. - Т.2. - С. 5-42.

Ломая В.А., Мазин И.П., Неизвестный А.И. Влияние турбулентности на

эффективность коагуляции облачных капель // Из. АН СССР. ФАО,

1990. - Т.26. - №8. - С. 813-819.

Мазин И.П., Шметер С.М. Облака, строение и физика образования. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983.-280 с.

Мейсон Б.Дж. Физика облаков. - Л.: Гидрометеорология, 1961. — 541 с. Мельников В.М. Обработка информации в доплеровских МРЛ // Зарубежная радиоэлектроника. - М., 1993. - № 4. - С. 35-42. Мучник В.М. Физика грозы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. -351 с. Мягков С.М. География природного риска. - М.: МГУ, 1995. — 27 с. Опасные гидрометеорологические явления на Кавказе / Под. Ред. Г.Г. Сванидзе и Я.А. Цуцкиридзе. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. -253 с. Опасные природные процессы Северного Кавказа. Под ред. проф. В.В.Разумова / Разумов В.В., Аджиев А.Х., Колычев A.M., Шаповалов М.А./.- М: Ракурс, 2013.-300 с.

Пастушков P.C. Численное моделирование взаимодействия

конвективных облаков с окружающей их атмосферой // Труды ЦАО, 1972. - Вып.108. - С. 93-97.

45. Поповский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. -JL: Гидрометеоиздат, 1967. -242 с.

46. Принципы построения автоматизированных систем метеорологического обеспечения авиации. - JL: Гидрометеоиздат, 1991. — 375 с.

47. Радиолокационные характеристики грозовых облаков в сантиметровом и метровом диапазонах радиоволн / Л.Г. Качурин, А.И. Карцивадзе, Л.И. Дивинский и др. // Труды I Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - С. 185-190.

48. Разумов В.В., Притворов А.П., Перекрест В.В., Разумова Н.В., Абшаев М.Т., Малкарова A.M., Аджиева A.A. и др. Опасные природные процессы юга европейской части России. Евразийский институт социально-природных исследований. — М.: Дизайн. Информация. Картография, 2008. - 388 с.

49. Роджерс P.P. Краткий курс физики облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-230 с.

50. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 348 с.

51. Руководство по применению радиолокаторов МРЛ-4, МРЛ-5, МРЛ-6 в системе градозащиты / Абшаев М.Т., Бурцев И.И., Ваксенбург С.И., Шевела Г.Ф./ — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 230 с.

52. Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. РД 52.04.320-91. - Л.: Гидрометеоиздат, 1993. - 358 с.

53. Руководящий документ РД 52.37.731. Организация и проведение противоградовой защиты.- 2010с.

54. Сенов Х.М. Математическая модель восстановления микроструктуры облаков по результатам дистанционного зондирования// Труды ВГИ, 2001.- Вып.91.- С. 123-129.

55. Сидорова T.J1. Характеристика климата Приэльбрусья. -Природопользование Приэльбрусья / Под ред. Г.И. Рычагова, И.Б. Сейновой. - М.: Издательство московского университета, 1992. — 340 с.

56. Смирнов В.И. Скорость коагуляционного и конденсационного роста частиц аэрозолей // Труды ЦАО, 1969. - Вып.92. - С. 8-105.

57. Справочник по опасным природным явлениям в республиках, краях и областях Российской Федерации. СПб.: Гидрометеоиздат, 1997. — 588 с.

58. Стасенко А.Н., Щукин Г.Г. Методология исследования электричества грозовых облаков и активных воздействий на них // Тр. НИЦ ДЗА, 2000. -Вып. 2(548).-С. 24-33.

59. Стасенко В.Н., Гальперин С.М., Степаненко В.Д. Методология исследования грозовых облаков и активных воздействий на облака // Проектирование и технология электронных средств, 2004. — С. 2-6.

60. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. 2-е изд. — JL: Гидрометеоиздат, 1973.-343 с.

61. Степаненко В.Д., Гальперин С.М. Обнаружение ливней и гроз с помощью радиолокационных станций температурно-ветрового зондирования // Тр. ГГО, 1969. - Вып. 243. - С. 49-64.

62. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967.-412с.

63. Федченко Л.М., Беленцова В.А. Термодинамические условия развития кучево-дождевой облачности // Труды ВГИ, 1982. - Вып.51. - С. 73-79.

64. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 648 с.

65. Шаповалов В.А., Машуков И.Х., Продан К.А., Колычев А.Г., Шаповалов М.А. АРМ обнаружения и предупреждения об опасных быстроразвивающихся конвективных явлениях на территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов// Материалы Международного симпозиума «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели»., Том 2, г. Нальчик, 2013. - С. 213-216.

66. Шаповалов В.А., Машуков И.Х., Продан К.А., Скорбеж H.H.,

Шаповалов М.А. Некоторые результаты численного моделирования микроструктурных и электрических характеристик конвективных облаков// Материалы Международного симпозиума «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», г. Нальчик, 2013, Том 2. - С. 216-219.

67. Шаповалов В.А., Шаповалов М.А. Распознавание' опасных конвективных процессов с применением алгоритмов нейронных сетей (Neural Network) и компьютерного зрения (Computer Vision). // Материалы Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР, Нальчик, 2014.

68. Шаповалов A.B., Созаева JI.T., Шаповалов М.А. Расчет поляризационных характеристик частиц осадков с использованием данных о спектрах капель, полученных по трехмерной модели конвективного облака// Материалы Всероссийской открытой конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 80-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР, Нальчик, 2014.

69. Шаповалов A.B., Шаповалов В.А. Трехмерная визуализация геофизической информации для решения прикладных задач// Наука. Инновации. Технологии. 2014. № 1. С. 65-73.

70. Шметер С.М. Термодинамика и физика конвективных облаков. — Д.: Гидрометеоиздат, 1987. - 280 с.

71. Щукин Г.Г., Снегуров A.B., Снегуров B.C. Методика и результаты наблюдений за грозами системами пеленгации гроз и MPJI // Известия ВУЗОВ. Северо-Кавказский регион. Физика атмосферы. - 2010. — Спецвыпуск. - С. 98-101.

72. Altaratz О., Reisen Т., Levin Z. 2004. Simulation of electrification of winter

thunderstorm using the three-dimensional Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) model: Single cloud simulation // J. Geophys. Res., 2005, vol. 110, D20205, doi: 10.1029/2004. JD 005616.

73. Bean B.R., Dutton E.J. Radiometeorology // Dover, New York, 1968. -435 p.

74. Benjamin, S. G., Brian D. Jamison, William R. Moninger, Susan R. Sahm, Barry E. Schwartz, and Thomas W. Schlatter, 2010: Relative short-range forecast impact from aircraft, profiler, radiosonde, VAD, GPS-PW, METAR and mesonet observations via the RUC hourly assimilation cycle.// Monthly Weather Review.

75. Browning K.A., Ludlam F.H. Airflow in convective storms // Quart. J. Roy. Met. Soc. - 1962. - Vol.88. - P. 117-135.

76. Clark T. Numerical modelling of the dynamics and microphysical cloud model // J.Atm. Sci, 1973, V.30, №5. - P. 947-950.

77. Collier C.G. The development of a weather radar network in Western Europe. -COST 73, 1989.-P. 3-16.

78. Collier C.G., Fair C.A., Newsome D.H. International weather radar networking in Western Europe. - BAMS. - 1988. - v. 69. - P. 16-21.

79. Devenyi, Dezso, W. R. Moninger, S. R. Sahm, M. Hu, S. G. Benjamin, and S. S. Weygandt: Monitoring observation-model differences in the real time Rapid Refresh System// 23rd Conference on Weather Analysis and Forecasting/19th Conference on Numerical Weather Prediction, 2009, Omaha, NE, AMS.

80. Dessens J., Sanchez J.L., Fraile R. Response of Silver iodide ground seeding on different types of hailstorms as measured with hail pads // Seventh WMO Sci. Conf. on Weather Modif. - Chiang Mai, Thailand. - 1999. - Vol. 2. - P. 387-390.

81. Farley R.D. Numerical modeling of hailstorms and hailstone growth. Part III. Simulation of an Alberta hailstorm - natural and seeded cases // J. Climate Appl. Meteor. - 1987.-№26.-P. 789-812.

82. Federer B., Waldvogel A., Schmidt W. et al. Main results of Grossversuch 4 //

J. Clim. Appl. Met. - 1986. - Vol. 25. - P. 917-957.

83. Golden J.H. The prospects and promise of NEXRAD: 1990's and beyond. -COST73, 1989.-P. 17-36.

84. Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines. WC 01, SC 33, CIGRE, 1991. - 158 p.

85. Hansen, T., T. LeFebvre, C. Bullock, J. Wakefield, J. Ramer, S. Williams, G.J. Stumpf, K. Scharfenberg, J.T. Ferree, B. Motta, E. Gruntfest, S. Romano, M.K. Zappa and W. Roberts (2010), Hazard Information Services vision, presented at 26th Conference on Interactive Information and Processing Systems (IIPS) for Meteorology, Oceanography, and Hydrology, American Meteorological Society, Atlanta, GA, January 17-21, 2010.

86. Heymsfield A.I. Processes of hydrometeor development in Oklahoma convective clouds//J. Atm.Sci.- 1984.-Vol.41.-No 19.-P. 2811-2835.

87. Joss, J., Lee L. The application of radar-gauge comparisons to operational precipitation profile corrections // J. Appl. Meteor., 1995. - P. 2612-2630.

88. Krauss T.W., Renick J. Preliminary economic results of hail suppression programs in Alberta, Canada, and Mendoza, Argentina // Eighth WMO Sci. Conf. on Weather Modif. - Casablanca, Morocco. - 2003. - P. 291-294.

89. Kuznetsov A. D., Solonin A.S. Hydrometeorological equipment for short range weather forecasting used in Russia ( Russian State Hydrometeorological University ).- http://ums.rshu.ru

90. Krauss T.W., Santos J.R. The effect of hail suppression operations on precipitation in Alberta, Canada // Eighth WMO Sci. Conf. on Weather Modif. - Casablanca, Morocco. - 2003. - P. 279-282.

91. Lin Y.T., Uman M.A. Electric radiation fields of lightning return strokes in three isolated Florida thunder storms // J.Geoph. Res, 1973. - Vol. 78. - № 33. - 152 c.

92. Lin Y.L. et. Al. Bulk parametrisation of the snow field in a cloud model // J. Clim. Appl. Meteor., 1983, V.22. - P. 1065-1092

93. Lyons W.A. et al. Real-time data collection, processing and dissemination of

customized lightning data from overlapping detection networks. - Preprint R&SCAN Corp., 1988. - 123 p.

94. MacGorman D.R., Straka J.M., Ziegler C.L. A Lightning Parameterization for Numerical Cloud Models// American Meteorological Society, 2001,№3.-P-459.

95. Markson R. Considerations regarding solar and lunar modulation of geophysical parameters, atmospheric electricity, and thunderstorms // Pure and Appl. Geophys, 1971. - V. 84. - 161 p.

96. Marwitz J.D. The structure and motion of severe hailstorms. Parts I - III // J. Appl. Met. - 1972. - Vol. 11, No 1. - P. 166-201.

97. Moninger, W., S. G. Benjamin, B. D. Jamison, T. W. Schlatter, T. L. Smith, and E. J. Szoke, 2009: TAMDAR jet fleets and their impact on Rapid Update Cycle (RUC) forecasts. 13th Conference on Integrated Observing and Assimilation Systems for Atmosphere, Oceans, and Land Surface (IOAS-AOLS), Phoenix, AZ, AMS.

98. Moor S., Vennegut B. Gushes of Rain and Hail after Lightening // J. Atm.Sci., 1964.-№6.-280 p.

99. Orville R.D., Kopp F.J. Numerical simulation of the life history of a hailstorm // J. Atm. Sci. - 1977. - Vol.34, №10. - P. 1596-1618

100.Pranesha T.S., Kamra A.K. Scavenging of aerosol particles by large water drops. 2. The effect of electrical forces // J. Geoph. Res., 1997, V.102. - P. 23937-23946.

101. Rawlins F. A numerical study of thunderstorm electrification using a three dimensional model incorporating the ice phase// Quart.Jour. of the Royal Met. Society, 1982,V.108. -P.779-801.

102. Results of a randomized hail suppression experiment in Northeast Colorado. Part 2. Surface database and preliminary statistical analysis / E.L. Grow, A.B. Long, J.E. Dye, A.E. Heymsfield // J.Appl. Met. - 1979. - Vol.18., №2. - P. 1538-1558.

103.Schlatter T.W. An integrated approach to the display of Doppler radar and

/

other meteorological data. - COST 73, 1989. - P. 317-330.

104. Serafín R.J., Wilson J.W. Operational weather radar in the U.S.: Progress and Opportunity. - COST 75, 1998. P. 35-61.

105. Smith, T. M., Stumpf G. J., Manross K. L., Thomas C. Warning Decision Support System - Integrated Information (WDSS-II). Part I: Mulitple-sensor severe weather applications development at NSSL during 2002 // Preprints, 19th International Conf. on Interactive Information and Processing Systems (HPS) for Meteor., Oceanography, and Hydrology, Long Beach, CA, Amer. Meteor. Soc., 14.8, 2003. CD preprints.

106. Stumpf, G. J., T. M. Smith, Thomas C. The National Severe Storms Laboratory's contribution to severe weather warning improvement: Multiple-sensor severe weather applications - Atmos. Research, 66, 2003. - P. ^57-669.

107. Short Tern Forecasting // I.C.I. Monograph, №2 Oliver and Edinburgh, 1964. - 184 p.

108. Total Lightning Sensor LS8000.- www.vaisala.com

109.Unidata AWIPS II.- http://www.unidata.ucar.edu/software/awips2.

110.WDSS II. - http://wdssii.nssl.noaa.gov.

111. Weikmann H. The language of hailstorms and hail. Nubila, Anno, 1962..

112. Wilson J., Carbone R. Nowcasting with Doppler radar: the forecaster-computer relationship. - Nowcasting II Symp., Norrkoeping, Sweden, 1989, p. 177-186..