включая 75 рисунков, 39 таблиц и список литературы. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, определены научная проблема, цели, задачи

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по разное

Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

(Росгидромет)

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ЦЕНТРАЛЬНАЯ АЭРОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

Колосков Борис Павлович

Планирование и физико-статистическая оценка эффективности искусственного регулирования осадков методами активных воздействий

Специальность: 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

г. Нальчик Ц 2010 г.

Работа выполнена в Государственном учреждении Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета

Научный консультант:	доктор физико-математических наук, Заслуженный деятель науки РФ и КБР профессор Щукин Георгий Георгиевич
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, Заслуженный деятель науки РФ и КЧР профессор Абшаев Магомет Тахирович
	доктор физико-математических наук, Дрофа Александр Семенович
	доктор физико-математических наук, Морозов Владимир Николаевич
Ведущая организация:	Российский государственный гидрометеорологический университет (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится л ____ _______________ 2010 г. в _____ часов на заседании

Диссертационного Совета Д 327.001.01 при ГУ Высокогорный геофизический институт

Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

Автореферат разослан л____ _____________ 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

доктор физико-математических наук, профессор А.В. Шаповалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Проблема управления погодой с целью уменьшения негативных последствий изменения климата, ущерба от стихийных бедствий, таких как засуха, катастрофические ливни и градобития, туманы, наводнения, сход снежных лавин, а также уменьшения ущерба от техногенных катастроф, таких как аварии на АЭС, химических и других опасных производствах, является одной из важнейших задач современной науки и практической жизни. В связи с этим исключительную актуальность приобретает разработка и совершенствование методов и технических средств активных воздействий (АВ) с целью искусственного регулирования осадков (ИРО), предотвращения выпадения града, рассеяния туманов и облаков и т.д.

Поскольку прямые воздействия на макро - и мезомасштабные атмосферные процессы в настоящее время практически неосуществимы в силу необходимости применения громадных энергетических затрат, превосходящих существующие человеческие возможности, реально возможным на практике способом АВ в настоящее время является искусственная модификация облаков, осадков и туманов. Возможность такой модификации базируется на использовании существующей в атмосфере неустойчивости при развитии процессов облакоЦ, осадко - и туманообразования, что позволяет изменять ход этих процессов при сравнительно небольших затратах энергии. При этом принципиальная возможность и целесообразность модификации облаков и осадков вытекает из того факта, что лишь часть (от 10 до 90%) водосодержания облаков при естественных процессах реализуется в виде осадков.

В последние годы во многих странах мира все острее становится проблема дефицита пресной воды. Так на 13-м Всемирном метеорологическом конгрессе отмечено, что к 2025 г. две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пресной воде. Это связано с целым рядом факторов, среди которых основными являются тенденция потепления климата, рост населения Земли, а также интенсивное развитие промышленности и сельского хозяйства. В результате выполненных как в нашей стране, так и за рубежом многолетних теоретических и экспериментальных исследований в области АВ на атмосферные процессы достигнуты серьезные практические результаты в области ИРО. Созданы экологически безопасные средства воздействий на различные формы облачности и на их основе разработаны самолетные и наземные технологии увеличения летних и зимних осадков, а также управления развитием осадкообразующих облачных систем с целью локального увеличения или уменьшения атмосферных осадков.

Активные воздействия на различные формы облачности и туманы в интересах тех или иных отраслей экономики находят в последние десятилетия все более широкое распространение. Это, в первую очередь, многочисленные опытные и опытно-производственные проекты по искусственному увеличению осадков (ИУО) для нужд гидроэнергетики, сельского и лесного хозяйства, коммунальных служб, выполняющиеся в различных странах мира; защита от града; рассеяние туманов в аэропортах и на автодорогах; борьба с лесными пожарами. Это также задача предотвращения или уменьшения количества летних ливневых и зимних обложных осадков. Последнее имеет большое практическое значение для коммунальных служб крупных городов, затрачивающих огромные средства на очистку городской территории от снега, его вывозку и утилизацию. В последние годы работы по предотвращению осадков или по их значительному уменьшению приобрели актуальность для создания благоприятных погодных условий при проведении массовых общественно-политических, культурных и спортивных мероприятий, а также для других нужд.

В настоящее время в мире насчитывается несколько десятков научно-исследовательских и оперативных проектов по ИУО, проводимых в различных странах мира - в США, Австралии, ЮАР, Китае, Марокко, Сирии, Саудовской Аравии, Мексике, Иране, на Кубе и др. странах.

Несмотря на достигнутые за более чем 60-летнюю историю АВ результаты, многие вопросы в проблеме ИРО до конца не изучены и остаются нерешенными. Среди проблем по ИРО можно выделить: недостатки планирования работ (выбор и классификация объектов воздействий, выбор экспериментальных единиц (ЭЕ), контроль воздействий, отсутствие оценок пригодности территории для проведения экспериментов по ИУО и их длительности); несовершенство методов оценки эффективности АВ при выполнении оперативных работ на больших территориях; отсутствие во многих проектах прямых физических свидетельств того, что обнаруженные при статистическом анализе изменения количества осадков были получены в результате засева облаков.

Цель работы заключалась в теоретической и экспериментальной разработке новых методических подходов при планировании, проведении и физико-статистической оценке эффективности исследовательских и оперативных работ по ИРО методами АВ. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

Разработка радиолокационного метода обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках, дающих осадки, по информации о неоднородностях поля ветра (НПВ) в пограничном слое атмосферы.
Разработка методики оценки количества экспериментальных единиц, необходимого для выявления эффекта воздействий, и исследование возможности использования радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочного прогноза для сокращения длительности рандомизированных экспериментов по ИУО.
Планирование и проведение рандомизированного эксперимента с целью исследования возможности модификации тропических переохлажденных конвективных облаков путем их динамического засева кристаллизующими реагентами.
Разработка метода статистической оценки эффективности оперативных работ по ИУО на больших территориях и статистическая оценка результатов оперативных проектов с использованием разработанного метода.
Планирование, проведение и физико-статистическая оценка эффективности опытно-экспериментальных работ по ИРО с целью метеозащиты мегаполисов.

Научная новизна работы

1) Впервые обнаружена, исследована и экспериментально подтверждена связь зон переохлажденных капель в облаках, дающих осадки, с зонами повышенных НПВ в пограничном слое атмосферы. Разработан и прошел экспериментальную проверку радиолокационный метод обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках и облачных системах, дающих осадки.

2) Впервые получены экспериментальные данные о размерах, пространственном распределении и времени жизни зон неоднородностей поля ветра и связанных с ними областей интенсивных вертикальных движений в слоистообразных облачных системах.

3) Разработана методика оценки количества экспериментальных единиц, необходимого для выявления эффекта воздействий при проведении рандомизированных экспериментов, и показана перспективность использования радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочного прогноза для сокращения длительности экспериментов по ИУО.

4) Базируясь на полученных на Камагуэйском метеополигоне (КМП) (Куба) экспериментальных данных о микрофизических, динамических, радиолокационных и СВЧ-радиометрических характеристиках облачности и осадков выработаны критерии пригодности тропических конвективных облаков для засева с целью получения дополнительных осадков, оценены облачные ресурсы на КМП, исследована эволюция радиолокационных характеристик конвективных облаков на КМП при их естественном развитии и при засеве льдообразующим реагентом и в результате проведения рандомизированного эксперимента доказана возможность модификации тропических конвективных облаков путем их динамического засева.

5) Разработан метод плавающего контроля (МПК) для статистической оценки результатов оперативных проектов по ИУО на больших территориях. С использованием разработанного метода получены статистические оценки результатов оперативных работ по ИУО в Республике Саха (Якутия), в Сирийской Арабской Республике, в Исламской Республике Иран и Португалии.

6) Впервые получены физико-статистические оценки результатов более чем 40 крупномасштабных работ по созданию благоприятных погодных условий, выполненных с 1995 г. в различных регионах России и ближнего зарубежья.

Практическая значимость работы

Разработанный в рамках настоящей диссертационной работы радиолокационный метод обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках успешно использовался при выполнении комплексных самолетных и радиолокационных исследований облачности в Международном эксперименте ПУО в Испании в 1980-1981 гг. На основании полученных данных выполнена оценка возможного увенличения количества осадков на полигоне ПУО. Метод позволяет обнаруживать в слоистообразных и конвективных облаках, дающих осадки, соответственно, 80 и 95% переохлажденных капельных зон, т.е. областей, потенциально пригоднных для засева льдообразующими реагентами, на значительных территориях порядка 30 тыс. км2 практически в темпе получения радиолокационной информации, что способствует повышению эффективности планирования и выполнения как исследовательских, так и оперативных работ по ИРО.

Полученные в работе экспериментальные данные о структуре вертикальных движений в слоистообразных облаках, о средних знанчениях водностей в наиболее активных областях облачных систем, относительной площади, занятой такими областями, распределении по размерам и времени их жизни могут быть использованы для пронверки и уточнения существующих представлений о процессах осадконобразования и развития облачных систем, а также при численном моделировании в качестве исходной или контрольной информации.

Разработанный метод плавающего контроля может использоваться для оценки эффективности воздействий в исследовательских и коммерческих проектах. В настоящее время метод применяется для статистической оценки результатов оперативных работ по ИУО в Сирии и Иране.

Статистическое моделирование с использованием предложенной в диссертации методики оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий, и радиолокационной информации об осадках позволяет выбрать ЭЕ и оценить длительность рандомизированных экспериментов по ИУО.

Результаты исследований, выполненных на Камагуэйском метеополигоне, используются в настоящее время при проведении оперативных работ по засеву облаков с целью ИУО на территории Кубы.

Разработанные при непосредственном участии автора информационно-измерительная система и методы физико-статистической оценки используются при проведении работ по метеозащите мегаполисов методами АВ.

Результаты исследований внедрены в нормативную руководящую документацию, регламентирующую проведение работ по ИРО самолетными методами.

На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных исследований связи областей повышенных НПВ в осадках в пограничном слое атмосферы с наличием переохлажденных капельных зон над ними, и экспериментальные данные о размерах, пространственном распределении и времени жизни зон НПВ и связанных с ними областей интенсивных вертикальных движений в протяженных слоистообразных облачных системах.
Радиолокационный метод обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках и облачных системах, дающих осадки, по НПВ в пограничном слое атмосферы и результаты его использования для оценки пригодности территорий для работ по ИУО.
Метод плавающего контроля и полученные с использованием метода статистические оценки результатов оперативных работ по ИУО на больших территориях в различных географических районах мира.
Методика оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий при проведении рандомизированных экспериментов, и результаты статистического моделирования с целью оценки длительности эксперимента при использовании радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочного прогноза.
Результаты комплексного рандомизированного эксперимента по АВ на переохлажденные конвективные облака тропической зоны.
Результаты опытно-экспериментальных работ по ИРО с целью улучшения погодных условий в мегаполисах методами активных воздействий.

ичный вклад автора

Использованный в диссертации экспериментальный материал получен при непосредственном участии автора или под его руководством в ходе многочисленных экспериментов и опытно-производственных работ, выполненных как у нас в стране, так и за рубежом (Испания, Куба, Сирия, Иран, Португалия, Казахстан).

В результате анализа и обобщения полученных данных автором:

- с помощью разработанного МПК получены статистические оценки результатов оперативных проектов по ИУО на больших площадях;

- с использованием предложенной в диссертации методики получены оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий, по радиолокационной информации об осадках;

- определены критерии пригодности облаков для засева, оценены облачные ресурсы и доказана возможность модификации тропических переохлажденных конвективных облаков на Камагуэйском метеорологическом полигоне (Куба) путем их динамического засева кристаллизующими реагентами;

- получены физико-статистические оценки результатов работ по метеозащите мегаполисов;

- совместно с Ю.В. Мельничуком разработан радиолокационный метод оперативного обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках и облачных системах на больших территориях;

- совместно с О.И. Шипиловым и Ю.В. Мельничуком разработаны методика оценки количества ЭЕ при проведении рандомизированных экспериментов по ИУО и основанный на методе исторической регрессии метод плавающего контроля.

Апробация работы: Основные результаты диссертации были представлены на 16-й Международной конференции по радиолокационной метеорологии (Хьюстон, 1975 г.); на 4, 5, 6 и 7-м Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии (Москва, 1975 г., Кишинев, 1978 г., Таллин, 1982 г., Суздаль, 1986 г.); на III, IV, VI, VII, и VIII Международных конференциях по активным воздействиям на метеорологические процессы (Клермон-Ферран, 1980 г., Гонолулу, 1985 г., Пестум, 1994 г., Чианг Мей, 1999 г., Касабланка, 2003 г., Анталия, 2007 г.); на 9 и 11-й Международных конференциях по физике облаков и осадков (Таллин, 1984 г., Монреаль, 1994 г.); на IV и V Международных симпозиумах по тропической метеорологии (Гавана, 1987 г., Обнинск, 1991 г.); на Международных совещаниях по Междуннародному Проекту увеличения осадков (ПУО) (Монреаль, 1980 г., Москва, I98I г.); на совещаниях группы экспертов ИК ВМО по активным воздействиям (Женева, 1982 г.); на рабочей группе КАН по физике облаков и активным воздействиям (Женева, 1983 г.); на Всесоюзных конференциях по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987 г., Нальчик, 1991 г.); на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001 г.); на Всесоюзных семинарах Технические средства для государственной системы наблюдений и контроля природной среды (Обнинск, 1981 г., Обнинск, 1983 г.); на III Всесоюзном семинаре-совещании Планирование и оценка эффективности работ по искусственному увеличению осадков (Тбилиси, I986 г.); на III Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Суздаль, 1990г.); на Юбилейной конференции Состояние и перспективы развития технологии и технических средств воздействия на гидрометеорологические процессы (Чебоксары, 1999г.); на Первом Арабском агрометеорологическом семинаре (Дамаск, 1982 г.); на семинарах ВМО по проблеме увеличения осадков в странах Средиземноморского региона, Юго-Восточной Европы и Среднего Востока (Бари, 1996 г., Монселиче, 1999 г.); на Научно-практическом семинаре Состояние и перспективы работ по воздействию на гидрометеорологические процессы в интересах развития производства в Республике Узбекистан (Ташкент, 2000г.); на Первой Национальной конференции Малайзии по активным воздействиям (Куала Лумпур, 2002 г.); на Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах - участниках СНГ (Санкт-Петербург, 2002 г.); на Региональном международном семинаре ВМО по физике облаков и активных воздействий (Дамаск, 2003 г.); на Научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельхозкультур от градобитий (Нальчик, 2007 г.); на Научной конференции институтов Росгидромета Теоретические и экспериментальные исследования конвективных облаков (Санкт-Петербург, 2008 г.); на VI Всероссийском метеорологическом съезде (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Основные результаты диссертации опубликованы в 88 работах. В диссертацию включены результаты, которые были получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы (356 отечественных и зарубежных наименований) и Приложений. Объем рукописи составляет 309 страниц, включая 75 рисунков, 39 таблиц и список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены научная проблема, цели, задачи и методы их решения, оценены научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях и структуре диссертации.

В первой главе освещена история и сделан краткий обзор современного состояния проблем ИРО методами АВ, а также изложены физические основы АВ на облака разных типов с использованием: 1) термодинамической (фазовой) неустойчивости, возникающей в переохлажденных облаках, содержащих переохлажденную воду; 2) коллоидальной неустойчивости, за счет которой происходит конденсационно - коагуляционный рост капель в облаке и выпадение дождя из теплых облаков; и 3) конвективной (вертикальной) неустойчивости атмосферы. В главе также описаны основные реагенты и технические средства, используемые для воздействий на облака.

Современные методы искусственной модификации переохлажденных облаков с использованием фазовой неустойчивости базируются на теории, разработанной Вегенером, Бержероном и Финдайзеном, и основанной на наличии разности упругости насыщенного пара надо льдом и над водой. Вследствие того, что упругость насыщенных паров надо льдом меньше, чем над водой при одной и той же отрицательной температуре, ледяные кристаллы, находящиеся в переохлажденном облаке, оказываются в состоянии пересыщения и растут диффузионно за счет испаряющихся облачных капель. В результате перегонки пара с капель кристаллы быстро растут и по достижении размеров частиц осадков начинают опускаться под действием силы тяжести, продолжая расти в процессе своего падения за счет коагуляции.

Принимая во внимание, что в большинстве естественных облаков наблюдается недостаток природных ледяных облачных ядер, путем создания в переохлажденных облаках дополнительных кристаллов можно в зависимости от их количества (10-100 ледяных ядер на литр при микрофизическом (статическом) засеве и 100-1000 л-1 - при динамическом) и места введения управлять развитием облаков, т.е. либо повысить эффективность процессов осадкообразования и тем самым получить дополнительные осадки, либо провести интенсивный засев облака кристаллизующими реагентами (организовать перезасев облака) и за счет мощного оледенения облака уменьшить или полностью прекратить выпадение из него осадков.

Анализ результатов ряда наиболее известных исследовательских и оперативных проектов по искусственному увеличению осадков из переохлажденных облаков, выполненных за последние 60 лет в бывшем СССР учеными и специалистами ЦАО, ГГО, ВГИ, УкрНИГМИ, ЗакНИГМИ, САНИИ и за рубежом - в США, Канаде, Австралии, Израиле, Италии, Южной Африке, Мексике, Таиланде, на Кубе позволяет сделать вывод о том, что эффект воздействий в значительной мере зависит от характеристик облачности - количества переохлажденной воды в облаках и ее местоположения, от концентрации ледяных кристаллов, от вертикальных движений, от мощности облака и температур на верхней и нижней границах. Так результаты рандомизированных экспериментов свидетельствуют о том, что диапазон изменения количества осадков при засеве переохлажденных облаков различных типов льдообразующими и хладореагентами может меняться от уменьшения на 60% до увеличения на 200%. Тем не менее несмотря на неоднозначные оценки результатов экспериментов можно констатировать, что при определенных метеоусловиях при правильном выборе объектов для воздействия и при правильном проведении засева (выборе типа и дозировки реагента, определении способа, места и времени для засева облачности) можно получить дополнительно 10-30% осадков, а при благоприятных условиях - до 50-100%. Следует отметить, что большинство выполненных экспериментов страдают из-за отсутствия прямых физических свидетельств того, что обнаруженные при статистическом анализе изменения количества осадков были получены в результате засева облаков.

Наряду с использованием термодинамической (фазовой) неустойчивости для АВ на переохлажденные облака в последние годы большое внимание уделялось воздействиям на теплые облака, базирующимся на использовании коллоидальной неустойчивости. В результате многочисленных теоретических и экспериментальных исследований к настоящему времени предложено две основные концепции активных воздействий на теплые облака, основывающиеся на искусственной стимуляции увеличения размеров облачных капель до размеров, при которых они могли бы стать зародышами частиц осадков. Данная задача для капельных облаков решается: 1) прямым методом введения зародышей осадков в облако путем распыления в облаке крупных капель воды, либо 2) путем засева теплых облаков гигроскопическими, то есть интенсивно поглощающими лизбыточный водяной пар, аэрозолями.

Результаты выполненных за последние 50-60 лет исследований свидетельствуют о возможности модификации теплых конвективных облаков путем их засева крупными каплями воды или гигроскопическими частицами. Однако практическое использование такого способа крайне ограничено, поскольку требуется поднять в воздух и распылить в облако большое количество реагента, что часто оказывается экономически невыгодным. В связи с этим внимание исследователей в конце прошлого столетия было обращено на разработку и проверку нового способа засева конвективных облаков с использованием мелких гигроскопических частиц, получаемых с помощью пирогенераторов (пиропатронов) в результате сжигания гигроскопических пиросоставов. Анализ результатов выполненных к настоящему времени натурных и численных экспериментов по засеву теплых конвективных облаков мелкими гигроскопическими частицами, позволяет сделать вывод, что при определенных условиях такие воздействия приводят к изменению микроструктуры засеянных облаков, увеличению времени их жизни, площади, занятой осадками и интенсификации выпадающих из них осадков. Однако несмотря на статистически значимые результаты, полученные в южно-африканском и мексиканском рандомизированных проектах, в настоящее время остается открытым вопрос об их физическом обосновании. В связи с чем, требуется проведение дополнительных как теоретических, так и экспериментальных исследований возможности модификации облаков путем их засева небольшим количеством гигроскопического аэрозоля.

Наряду с результатами активных воздействий на облака с целью искусственного увеличения осадков в обзоре приведены результаты выполненных в ЦАО, ИПГ, ГГО, УкрНИГМИ и за рубежом - в США, Франции, Германии, Норвегии и др. теоретических и экспериментальных исследований, свидетельствующих о возможности и эффективности стимулирования и разрушения при различных условиях образования и развития конвективных облаков различной мощности путем воздействия на них искусственно созданными струями, а также рассеяния слоистообразных облаков, и переохлажденных и теплых туманов с использованием самолетных и наземных средств воздействий.

Известно, что конвективная неустойчивость атмосферы и возникающие при этом потоки играют определяющую роль в развитии облаков, и, в особенности, кучевых форм. Так восходящие конвективные потоки создают первоначальные имнпульсы, необходимые для образования кучевых облаков и зон внедренной (затопленной) конвекции в слоистообразных фронтальной облачности, а также обуславливают их дальнейшее развитие. Очевидно, что наличие нисходящих конвективных потоков в облаках должно сопровождаться разрушением облаков. В настоящее время известно по крайней мере два способа искусственного инициирования внутриоблачных нисходящих движений (струй): 1) путем сброса в облако грубодисперсных порошков; 2) летательными аппаратами (самолетами, вертолетами) при зависании или пролете над облаком или туманом, или струями газов от двигателя реактивного самолета при его кабрировании в облаке на больших углах тангажа.

В результате выполненных в ЦАО и ИПГ теоретических и экспериментальных исследований по воздействию на конвективные облака путем сброса в облако 20-50 кг различных мелкодисперсных порошков и создания направленных вниз импульсов во время горизонтальных пересечений облаков самолетом Ил-14 за счет силы, противодействующей подъемной силе крыла самолета или струей газов от двигателя реактивного самолета при кабрировании в облаке на больших углах тангажа было установлено, что: 1) введение порошков нерастворимых веществ в облако носит динамический характер, т.е. происходит развитие нисходящей струи во влажно неустойчивой атмосфере путем вовлечения воздуха облаком частиц грубодисперсного аэрозоля, оседающим под действием силы тяжести; 2) на результат воздействия не влияет температура окружающей среды или химический состав сбрасываемого на облако вещества; 3) эффективность действия реагента зависит от величины энергии неустойчивости: чем выше значение энергии неустойчивости, тем интенсивнее протекает процесс распада облака после воздействия; 4) способность частиц к захвату облачных капель (при использовании гидрофильного цемента) повышает эффективность действия реагента и благоприятствует более быстрому разрушению облака; для разрушения облака при использовании гидрофобного порошка требуется существенно увеличить количество вводимого в облако реагента; 5) при использовании самолета Ил-14, мелкодисперсных порошков и реактивного самолета эффективность воздействия соответственно составила 73, 82 иа100%; 6) эффективность разрушения конвективных облаков зависит от условий развития облачности: при воздействии на облака сбросом упаковок с порошком эффективность составила 92% при воздействии на конвективные облака внутримассового развития, 82% при воздействии на облака, обусловленные термической конвекцией вблизи фронтальных зон, и 58% при воздействии на фронтальные конвективные облака. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности использования искусственно созданных нисходящих струй для разрушения как теплых, так и переохлажденных мощных кучевых, кучево-дождевых и грозовых облаков, что находится в полном соответствии с физическими представлениями о механизме воздействия.

АВ с целью ИРО в настоящее время осуществляется с помощью разработанных в Росгидромете технологий воздействия, основанных на использовании самолетов, оборудованных необходимой для проведения воздействий измерительной аппаратурой и средствами засева облаков, наземных технических средств воздействия и различных типов реагентов для засева облаков - хладореагентов, кристаллообразующих, гигроскопических и порошкообразных.

Для АВ на облака в настоящее время применяются самолеты-метеолаборатории (СМЛ) и самолеты воздействия, создаваемые на базе серийных самолетов типа Ил-18, Ан-12, Ан-26, Ан-28, Ан-30, Ан-32, Ан-72, М-101Т (Гжель) и СУ-30 (рис.1.1). Указанные типы самолетов перекрывают диапазон высот полета от 6 до 20 км, способны находиться в воздухе от 3 до 8-9 часов и нести полезную нагрузку от 630 до 20000 кг (Табл. 1.1). Используемые в работах по АВ самолеты оснащаются автоматическими устройствами КДС-155, АСО-2И и УВ-26 для отстрела пиропатронов ПВ-50 и ПВ-26 (рис.1.2), углекислотными комплексами для засева облаков сухим льдом и самолетными азотными генераторами ГМЧЛ-А и системами для сброса упаковок с грубодисперсными порошками (рис. 1.3).

Наряду с отстреливаемыми пиропатронами для засева облаков могут использоваться выпускаемые российской промышленностью самолетные аэрозольные генераторы САГ-ПМ-01 и САГ-26. При воздействии с земли засев облаков может осуществляться либо с помощью наземных пиротехнических или жидкостных генераторов, либо с помощью ракет и снарядов, содержащих льдообразующие или гигроскопические реагенты.

а)	б)	е)
г)	д)	е)
ж)	з)	и)

Рис. 1.1. Самолеты, используемые в работах по активным воздействиям

а) Ил-18; б) Ан-12; в) Ан-72; г) Ан-26; д) Ан-30; е) Ан-28; ж) Ан-32; з) М-101Т Гжель; и) СУ-30

Таблица 1.1.

Основные характеристики самолетов, используемых в работах по АВ

Характеристика	Ил-18	Ан-12	Ан-72	Ан-30	Ан-32	Ан-26	Ан-28	М-101Т Гжель	СУ-30
Взлетная масса, кг	61 000	61 000	33 000	21 000	27 000	24 000	6 500	3 720	33 000
Крейсерская скорость, км/ч	617	590	550	430	530	430	337	360	360 Ц 2 200
Практический потолок, м	10 000	9 800	11 800	7 300	9 400	7 300	6 000	8 000	20 000
Максимальная дальность полета, км	4 270	4 560	4 400	2 550	2 160	2 340	1 250	1 400	3 200
Максимальная полезная нагрузка, кг	13 500	20 000	10 000	5 500	6 700	4 100	2 000	630	7 000

а)

б)

в)

Рис. 1.2. Самолетные устройства КДС-155 (а) для отстрела пиропатронов ПВ-50 и

АСО-2И (б) и УВ-26 (в) для отстрела пиропатронов ПВ-26

а)

б)

в)

Рис. 1. 3. Устройства для сброса гранул твердой углекислоты, диспергирования жидкого азота и сброса упаковок: а) патрубок для выброса твердой углекислоты (внизу)и пилон с форсункой (вверху) для распыления жидкого азота; б) самолетный азотный генератор ГМЧЛ-А;

в) транспортер с упаковками с грубодисперсным порошком.

В качестве реагентов для воздействия на переохлажденные облака используется йодистое серебро AgI (температурный порог активности Ц4ЕЦ6оС), твердая углекислота СО2 (температурный порог активности Ц3ЕЦ4оС) и жидкий азот N2 (температурный порог активности около Ц1оС). Для воздействия на теплые облака используются гигроскопические реагенты - порошки или капли растворов хлористого натрия NaCl, хлористого кальция CaCl2, или высокодисперсных частиц, формируемых при горении пиротехнических составов.

Важным элементом информационно-измерительной системы, обеспечивающей успешность организации и проведения работ по АВ на облака с целью искусственного регулирования осадков, является радиолокационная система. Данные радиолокационных наблюдений необходимы для: 1) оценки пригодности облаков и облачных систем для засева; 2) планирования и выполнения самолетных операций по засеву облаков; 3) оценки результатов засева при физической и статистической оценке воздействий. Для этих целей могут быть использованы разработанные российскими специалистами метеорологические автоматизированные радиолокационные комплексы АКСОПРИ, Метеоячейка, МЕРКОМ.

Таким образом, приведенные в обзоре результаты работ по АВ на облака свидетельствуют о том, что остается еще много нерешенных вопросов по планированию и проведению работ по ИРО, а также получению статистических и физических доказательств того, что засев облаков приводит к увеличению осадков над заданным районом и в течение продолжительного периода времени, а также по определению влияния засева за пределами этого района. Используемые в работах методы и технические средства измерений характеристик метеообъектов и воздействий с целью искусственного регулирования осадков требуют дальнейшего усовершенствования с точки зрения повышения эффективности воздействий и определения ситуаций и времени, когда можно проводить воздействия, а когда проведение воздействий нецелесообразно. Следует также отметить важность использования статистического моделирования и выбора эффективных методов оценки результатов воздействий при проведении как исследовательских, так и оперативных работ по АВ на облака.

Во второй главе диссертации рассматриваются вопросы использования радиолокационной информации для выделения переохлажденных капельных зон в облаках и для статистического моделирования количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий при проведении рандомизированных экспериментов.

Успешность решения многих научных и практических задач, связанных с исследованием процессов осадконобразования и развития облачных систем, с АВ на облака, с обеспечением безопасности полетов в облаках и др., в значительной степени зависит от качества и оперативности получения информации о наличии, пространственном распределении и временной эволюции переохлажденных капельных зон в облаках различных форм. Обнаружение в облаках зон с переохлажденными каплями и их исследование осуществляются в основном с помощью СМЛ. Наряду с несомненными достоинствами прямые самолетные измерения микрофизических характеристик обнлаков обладают рядом существенных ограничений из-за пространственной и временной ограниченности наблюдений и невозможности одновременного охвата больших площадей. В связи с этим большое значение приобретают дистанционные методы исследования облачных систем, которые, в отличие от прямых, могут обеспечить оперативное получение данных об облачных системах на больших площандях в течение всего времени их существования. К сожалению, изнвестные радиолокационные методы - определение водности по радиолокационной отражаемости, двухволновый метод, метод мишени, и СВЧ-радиометрические методы либо принципиально, либо из-за технических трудностей не могут обеспечить оперативного обнарунжения переохлажденных капельных зон в облаках на больших площадях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований микрофизических харакнтеристик облаков различных форм свидетельствуют о том, что водность облаков в значительной степени определяется вертикальнными движениями. В свою очередь, вертикальные движения тесно связаны со структунрой горизонтальных движений в пограничном слое атмосферы (ПСА), в контором эти потоки формируются:

Wh = Who - div V(h) dh , (2.1)

где Wh и Who - вертикальные скорости на высотах h и hо, соответственно; ρ - плотность воздуха; div V(h) - дивергенция горизонтального ветра. В таком случае можно предположить возможность использования информации о горизонтальных движениях в пограничном слое для обнаружения капельных зон в переохлаждённой части облаков.

Сравнительный анализ радиолокационных методов исследования движений в облаках и осадках с использонванием наземных и самолетных РЛС позволяет заключить, что наибольшая оперативность получения информации о поле горизонтальных скоростей обеспечивается при использовании разработанной в ЦАО аппаратуры Устройство индикации турбулентности (УИТ). Принцип работы УИТ заключается в измерении разности среднних значений радиальных скоростей (ΔV) рассеивателей в импульнсных объёмах, разнесенных по дальности вдоль радиолокационного луча на расстояние L, которое определяет масштаб иснследуемых неоднородностей. Основными факторами, определяющими наличие ΔV на расстоянии L, являются: 1) турбулентность; 2) квази-упорядоченные вертикальные движения; 3) вертикальные сдвиги ветра; 4) различие скоростей гравитационного падения гидрометеоров. С учетом указанных компонент ΔV может быть записана в виде:

ΔV = ΔVт + ΔVг Cos β + ΔWB Sin β + ΔVСД Cos β + ΔVгр Sin β , (2.2)

где ΔVт - турбулентная составляющая; ΔVг и ΔWB - неоднороднонсти квази-упорядоченных горизонтальных и вертикальных движений; ΔVСД и ΔVгр - неоднородности, обусловленные сдвигом ветра и различием скоростей гравитационного падения гидрометеоров; β - угол места антенны. Анализ вклада основных факторов в величину неоднородностей поля радиальных скоростей показал, что при углах места антенны меньше 1Ц3о, т.е. при зондировании понграничного слоя атмосферы, основной вклад в величину ΔV вносят составляющая ΔVг , обусловленная дивергенцией, которая, согласно (2.1), тесно связана с вертикальными движениями, и турбулентная составляющая ΔVт, среднеквадратичное значение которой описынвается с помощью структурной функции

D (L) = = , (2.3)

связанной с масштабом флуктуаций L "законом 2/3" Колмогорова - Обухова

D (L) = С ε2/3 L2/3 , (2.4)

где ε - скорость диссипации кинетической энергии, характеризующая интенсивность турбулентных движений; С - безразмерная константа.

На основании литературных данных о значениях ε, а также экспериментальных данных, полученных автором, показано, что средние значения ΔVТ для слоисто-дождевой облачности без "затопленной" конвекции, составнляют 0,6-0,8 м/с, а при её наличии - 1,0-1,2 м/с. Для кучево-дождевой облачности величина ΔVТ на масштабе 500 м составляет 0,9-1,8 м/с. В таком случае, при соответствующем выборе величины порога ΔV на фоне турбулентных движений в зонах радиоэхо облачности и осадков могут быть выденлены области повышенной конвергенции и дивергенции, формирующие квази-ynорядоченные восходящие и нисходящие движения, т.е. зоны интенсивных вертикальных потоков.

Проведенные в 1982 г. в районе г. Калуги и в 1983 г. на метеорологическом полигоне ЦАО в Пензе комплексные исследования динаминческих характеристик облачности с помощью радиолокаторов MPЛ-2 (в Калуге) и МРЛ-5 (в Пензе), на которых была установлена аппаратура УИТ, и 3-см доплеровского наземного и самолетного радиолокатора, установленного на СМЛ Ил-18 Циклон, подтвердили возможность использования аппаратуры УИТ для обнаружения в облаках различных форм областей интенсивных вертикальных движений.

Экспериментальная проверка возможности использования информации о НПВ, получаемой с помощью УИТ в осадках в ПСА, для дистанционного обнаружения переохлажденных капельных зон в облаках была проведена в 1980-1981 гг. на полигоне ПУО в Испании, в 1982 г. в районе Калуги и в 1983 г. на полигоне в Пензе. Методика экспериментальных исследований связи зон НПВ в ПСА с переохлажденными жидкокапельными зонами в облаках заключалась в выполнении целенаправленных полётов СМЛ через зоны, характеризующиеся наиболее интенсивными движениями, определяемыми с помощью УИТ. В период полета CMЛ каждые 5-10 минут проводилась регистрация информации о структуре НПВ и распределении радиолокационной отражаемости в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Следует отметить, что при сравнении радиолокационных и самолетных данных необходимо учитывать время Тн , требуемое для подъёма влажного воздуха с нижнего уровня до высоты полета самолета Н, а также перенос зон радиоэхо за это же время. Для этого была разработана методика обработки и комплексного анализа радиолокационной и самолетной информации, включающая: определение скорости вертикальных движений по радиолокационным данным о вертикальной струкнтуре НПВ и величине ΔV; оценку времени Тн ; определение скорости и направления перемещения зон радиоэхо; построение траектонрии полета CМЛ на изображениях зон НПВ, полученных раньше момента пролёта самолета над зонами на время Тн , т.е. на изображенинях "образов" зон НПВ.

На основании результатов исследований связи переохлажденных капельных зон в облаках с НПВ в ПСА был разработан новый радиолокационный метод обнаружения капельных зон в облаках, позволяющий обнаруживать в слоистообразных (класс А по классификации ПУО) и конвективных облаках (класс С), дающих осадки, соответственно, 80 и 95% переохлажденных капельных зон.

Разработанный метод выделения в облаках и облачных системах переохлажденных капельных зон по данным о НПВ в ПСА прошел экспериментальную проверку в ходе комплексных радиолокационных и самолетных экспериментов в Московской области и в районе г. Калуги, а также на полигоне ЦАО в Пензе при выполнении работ по опытному засеву облаков льдообразующими реагентами с использованием информации о НПВ. Анализ полученной в ходе выполнения работ радиолокационной иннформации о структуре радиоэхо до и после засева облачности твердой гранулированной углекислотой СО2 поканзал, что засев облачности, характеризовавшейся наличием зон НПВ с величиной ΔV выше 1,З м/с, привёл к образованию на фоне естественных осадков чётко выраженных полос искусственных осадков, отражаемость которых на 6Ц8 дБZ превосходила отражаемость естественных. Засев облачности, не имеющей повышенных значений НПВ, не приводил к появлению полос повышенной отражаемости на фоне естественных осадков. Результаты опытов по использованию радиолокационного метода оперативного обнаружения в облаках переохлажденных капельных зон по информации о НПВ указывают на перспективность его использования в работах по искусственному регулированию осадков на больших площадях.

Принимая во внимание наличие взаимосвязи лобразов зон повышенных НПВ с областями переохлажденной жидкокапельной влаги были определены следующие характеристики: а) временной ход относительного покрытия плонщади осадков (Аос) зонами НПВ (Анпв); б) средние значения величин Анпв / Аос для каждого дня наблюдений; в) характерные разменры зон НПВ; г) времена существования отдельных зон НПВ.

Анализ полученных данных показал, что зоны повышенных НПВ существуют во всех облачных системах и практически во все моменты времени их пронхождения через площадь обзора радиолокатора. Анализ распределений зон НПВ по размерам показал, что средняя площадь зон НПВ с величиной ΔV ≥ 1,3 м/с в облачных системах класса А и в конвективных облаках класса С составляет, соответственно 40Ц50 км2 и 20Ц25 км2. Анализ данных выявил зависимость времени жизни зон НПВ от их горинзонтальных размеров (рис. 2.1) - время жизни зон НПВ тем больше, чем больше их размер, и практически не зависит от типа облачности. При этом среднее время жизни областей НПВ в облаках класса С составляет (с учетом среднего размера 20Ц25 км2) 20-25 мин, а в облачности класса А (при среднем размере 40Ц50 км2) составляет 40Ц50 минут.

Наличие для облачности на полигоне ПУО в Испании радиолокационной информации о НПВ и рассчитанных по самолетным данным средних значений водности над этими зонами, позволило провести оценку пригодности полигона для проведения работ по ИУО. Такая оценка может быть представлена в виде дополнительных осадков, которые могли бы быть получены при осаждении всей переохлаждённой воды на площади обзора РЛС. При известных величинах относинтельного покрытия площади обзора РЛС зонами НПВ и значениях водностей над этими зонами, величина дополнительных осадков за час может быть определена по формуле:

ΔI = ΔН , (2.5)

где Анпв и А - площади зон НПВ и обзора РЛС; ΔН - мощность слоя между изотермой 0оС и верхней границей радиоэхо или высоты изотермы минус 15оС, если высота радиоэхо превышала этот уровень; ρ - плотность воды; Т - время. В случае конвективной облачности для оценки ΔI в соотношении (2.5) необходимо вместо Анпв /А использовать величину [ (Аос /А) К ], где К - коэффициент, определяющий в площади обзора долю конвективных облаков, характеризующихся наличием в них зон повышенной НПВ.

Результаты сравнения величин ΔI с интенсивностью естественных осаднков I показали, что величины ожидаемого относительного увеличения осадков изменяются в широких пределах и для различных дней облачности класса А составляют 2÷29%, а для облачности класса С - 15÷140%. Среднее относительнное увеличение осадков для этих классов облачности составляет 7,6% и 34%, соответственно (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Оценки возможного увеличения количества осадков (%) на полигоне ПУО, полученные по данным радиолокационных и самолетных наблюдений, и в результате численного моделирования

Способ оценки	Средняя величина (%) по дням			Экстраполяция (%) за сезон
Способ оценки	класс А	класс С	среднее	класс А	класс С	среднее
Радиолокационный способ (по НПВ)	7,6	34	21	7,6	34	17
По самолетным данным	8,1	17	12	0,36	3	1
Численное моделирование	29	65	54	1,37	11	4,3

Для сравнения в таблице также приведены оценки вознможного увеличения количества осадков, полученные американскими участниками Проекта по данным самолетных измерений и по результатам численного моденлирования.

Из таблицы видно, что полученные тремя способами оценки возможного увеличенния осадков для выбранных дней наблюдений находятся в хорошем согласии, что свидетельствует о возможности использования этих методик для оценки увеличения осадков на площади полигона в отдельные дни. Однако, при экстраполяции оценок для отдельных дней наблюдений на сезон возникают значительные расхождения в оценках, связанные с тем, что согласно самолетным данным, только 16,3% дней (т.е. каждый шестой день) для облачности класса А и 48,7% дней (т.е.каждый второй день) для облачности класса С определены пригодными для проведения воздействий с целью ИУО. По данным же радиолокационных исследований во все экспериментальные дни в облачности классов А и С наблюндались зоны, потенциально пригодные для засева. В связи с этим в качестве возможного увеличения слоев осадков за сезон были взяты оценки, полученные для отдельных дней наблюдений. Отличие средней оценки за сезон (17%) от оценки по отдельным дням (21%) связано с различием вклада облаков классов А и С в слой осадков в сезоне 1981 г. и в средне-сезонную норму осадков. Приведенные данные свидетельствуют о том, что использование только прямых методов измерений может привести к ошибочным выводам.

Во втором параграфе главы рассматриваются вопросы использования радиолокационных данных об осадках для планирования экспериментов по ИУО. Для этой цели на основе разработанного БулинскимЦКолмогоровым метода выборочных оценок сумм случайных величин было получено выражение для расчета количества ЭЕ, необходимого для обнаружения эффекта воздействия с вероятностью (1 - ) на уровне значимости при проведении рандомизированного эксперимента с вероятностью засева, равной 0,5:

N1 = , (2.6)

где = , = , ak - естественные осадки;

= , = , bk - осадки после засева;

N - число ЭЕ, обследованных перед планированием эксперинмента;

и - определяются из уравнения типа

Ф () = 1 - , ( Ф(х) = ).

При наличии априорных оценок (прогноза) сk, для величин ak и при предположении мультипликативной модели увеличения осадков, т.е. bk = (1+) ak, выражение (2.6) можно переписать в удобном для расчетов виде, используя средние значения и , дисперсии и , и коэффициент корреляции Rac = /aс :

N2 = , (2.7)

где , , ,

С целью исследования целесообразности использования коротких ЭЕ (осадки за час, осадки из облака), которое приводит к увеличению количества ЭЕ, были проведены расчеты N2 с использованием цифровых радиолокационных данных, полученных с помощью автоматизированных комплексов. Необходимые для расчета N2 характеристики определялись для двух ЭЕ: 1Цчасового и 12Цчасового слоев осадков, и для площадок двух размеров: 20 х 20 км2 и 30 х 30 км2.

Анализ матриц коэффициентов корреляции часовых и 12Цчасовых слоев осадков, рассчитанных по данным радиолокационнных измерений за июнь-сентябрь 1984 г. показал, что во всех наблюдавшихся синноптических ситуациях отчетливо проявляется анизотропия пространственной корреляции осадков. Так, для часовых слоев в нанправлении переноса зон радиоэхо расстояние по уровню корреляции 0,7 для фронтальных облачных систем в 2,3Ц3,4 раза, а для случаев внутримассовых конвективных облаков в 1,6Ц2 раза больше, чем в ортогональном направлении. Для 12Цчасовых слоев эти соотнношения лежат, соответственно, в пределах 1,3Ц3,2 и 1,5Ц2,5.

Расчеты количества ЭЕ, выполненные для прилегающих и разнесенных на длину стороны площадки (т.е. на 20 км или 30 км), при расположении опытной и контрольной площадок вдоль переноса поля осадков, определяемого по результатам корреляционного анализа рандиолокационных данных, и в перпендикулярном направлении, показали, что наименьшая продолжительность эксперимента получается при использовании 1Цчасовой ЭЕ и при расположении разнесенных площадок вдоль направления переноса. При этом использование 1Цчасовой ЭЕ позволяет сократить продолжительность эксперимента по ИУО в 2Ц8 раз по сравнению с использованием 12Цчасовой ЭЕ.

Расчеты также показали, что в ряде ситуаций (в частности, осадки из внутримассовых конвективных облаков) использование данных контрольного полигона даже при его оптимальном размещении не всегда дает выигрыш в уменьшении продолжительности эксперимента. Это обстоятельство указывает на необходимость поиска более точных по сравнению с методом контрольных площадок способов получения априорной информации об осадках. В качестве такового предлагается использовать сверхкраткосрочный (на 1-2 часа) прогноз полей осадков по цифровым радиолокационным данным, который за счет более высокой корреляции прогностических радиолокационных и фактических слоев осадков по сравнению с корреляцией слоев осадков, выпавших на опытной и контрольной площадках, позволяет в 1,5Ц5 раз сократить число ЭЕ по сравнению с использованием 1Цчасовой ЭЕ даже при оптимальном расположении мишени и контрольной площадки. Расчеты показали, что при переходе к 12Цчасовой ЭЕ использование сверхкраткосрочного прогноза полей осадков позволит сократить продолжительность эксперимента от 2 до 13 раз по сравнению с методом контрольных площадок.

В третьей главе рассматриваются результаты комплексного рандомизированного эксперимента по АВ на конвективные облака, выполненного на территории Кубы в рамках советско-кубинского научно-технического сотрудничества. На первой стадии работ в 1979-1981 гг. в результате климатологических исследований облаков и осадков для проведения экспериментов была выбрана территория в провинции Камагуэй, расположенная между провинциями Сьего-де-Авила и Лас-Тунас (рис. 3.1).

На втором этапе (1982-1984 гг.) было: 1) проведено оснащение Камагуэйского метеополигона (КМП), представляющего собой круг с радиусом 80 км, информационно-измерительной системой (ИИС), включающей в себя: два радиолокатора - АРС-3 (длина волны 3 см) и двухволновый метеолокатор МРЛ-5 (длина волны 3 и 10 см), оборудованный системой автоматизированной цифровой обработки радиолокационных сигналов (АЦОРС), пункты радиозондирования, приема аэросиноптической, спутниковой и прогностической информации, специализированную сеть дождемеров, предназначенную для калибровки радио-локационной информации, систему двусторонней связи между радиолокаторами и самолетами; 2) подготовлено два кубинских СМЛ - Ан-26 и Ил-14, оборудованных аппаратурой для исследования микрофизических и термодинамических характеристик атмосферы, облачности и осадков, а также средствами засева облаков путем отстрела пиропатронов ПВ-26 с йодистым серебром с самолета Ан-26; 3) выполнены пробные опыты по воздействиям на облака с целью подготовки к проведению исследовательской фазы эксперимента на КМП.

В 1985 г. на КМП был проведен исследовательский рандомизированный эксперимент, в ходе которого проверялась гипотеза динамического засева облаков с целью увеличения осадков и апробировалась методика воздействий на конвективные облака тропической зоны. В результате комплексных радиолокационных и самолетных исследований были выработаны критерии пригодности облаков для засева льдообразующим реагентом с целью получения дополнительных осадков и установлены нормы расхода реагента. Согласно этим критериям пригодными для засева считаются оптически плотные растущие облака с температурой на верхней границе Ц10ЕЦ20оС, с диаметром на уровне засева > 2 км и высотой основания облака над поверхностью земли ниже 2000 м, с максимальным значением водности > 0,3 г/м3 и скорости восходящих потоков > 1,5-2 м/с.

В соответствии с требованиями к экспериментам по ИУО в 1986-90 гг. на КМП проводилась подтверждающая фаза рандомизированного эксперимента по засеву конвективных облаков, в ходе которой были проведены комплексные исследования микрофизических, динамических и радиолокационных характеристик и их эволюции в незасеянных и подвергшихся воздействию аэрозолями йодистого серебра конвективных облаков тропической зоны, и получены физико-статистические оценки эффективности динамического засева. На этой фазе в эксперименте принимали участие российские СМЛ Ил-18 Циклон (в 1986-1987 гг.) и Ан-12 Циклон (в 1988-1990 гг.), оборудованные 8-мм СВЧ-радиометрами для дистанционного измерения водозапаса облаков.

В результате анализа данных радиолокационных исследований облаков на КМП получены оценки ресурсов облаков, потенциально пригодных для засева с целью увеличения осадков на площади полигона. Показано, что наблюдается значительная суточная и межсуточная изменчивость количества пригодных для засева облаков. Данные о суточном ходе таких облаков указывают на то, что для засева всех потенциально пригодных облаков необходимо одновременно использовать по крайней мере два-три самолета. Анализ данных об осадках показал, что удовлетворяющие принятым критериям пригодности для засева изолированные облака дают 1-3%, а мезомасштабные облачные скопления (лкластеры) - около 20-25% количества осадков на полигоне.

Анализ радиолокационных данных позволил установить наличие взаимосвязи вертикальной мощности облака с площадью осадков, их продолжительностью и количеством. Так, более мощные конвективные облака имеют большую площадь, время жизни и дают большее количество осадков (рис. 3.2,а). В результате регрессионного анализа радиолокационных данных показано, что также, как и для других географических районов (например, Северная Дакота, Южная Флорида), существует тесная взаимосвязь количества осадков с их интегральной площадью (рис. 3.2,б). Эта взаимосвязь может быть использована для оценки количества осадков по данным об их площади, получаемым с помощью спутниковых и радиолокационных измерений.

Рис. 3.2. Зависимость количества осадков из изолированных конвективных облаков от максимальной высоты радиоэхо Нмакс (а) и от суммарной площади осадков S (б).

Цифры на графике характеризуют количество пар значений, попадающих в одну точку.

Исследование эволюции радиолокационных характеристик изолированных конвективных облаков показало, что с увеличением мощности облаков происходит увеличение времени, необходимого для достижения в облаке максимальной высоты, площади, интенсивности и потока осадков. В облаках, живущих менее 35-40 мин, максимальная высота радиоэхо не превышает 7-8 км и в них Hмакс достигается в первой половине жизни, а Iмакс - во второй. В облаках с большим временем жизни и высотой выше 7-8 км Hмакс достигается во второй половине жизни, а Iмакс - в первой. Максимальная площадь осадков во всех облаках наступала во второй половине их существования и после момента достижения облаком максимальной высоты и интенсивности осадков.

В результате комплексных радиолокационно-радиометрических исследований облаков над КМП впервые средствами дистанционного зондирования были получены данные о водозапасе, размерах и средней водности зон переохлажденной воды в облаках тропической зоны.

Анализ эволюции характеристик развивающихся над КМП облаков позволил определить временное окно, в течение которого облака удовлетворяют критериям пригод-ности для засева льдообразующими реагентами с целью ИУО. На рис. 3.3 представлена осредненная эволюция концентрации кристаллов Nк, скоростей вертикальных потоков W, значений жидкокапельной водности wж , коэффициента ледности Кл = wл / (wл + wж ), где wл - содержание ледяной фазы, и объемно-модального радиуса капель rmv в естественных конвективных облаках над КМП, построенная по данным совместных самолетных и радиолокационных измерений характеристик 64 Cu cong и Cb, находящихся на разных стадиях развития. Верхние границы этих облаков располагались на уровнях 6-8 км. Температура на этих уровнях составляла Ц7ЕЦ20оС. Измерения проводились на уровне 5,6-6 км (при температурах Ц6ЕЦ11оС). На рис. 3.3 также нанесена кривая эволюции влагосодержания облака q, полученная по данным самолетных СВЧ-радиометрических измерений влагосодержания облака в слое между Ц5оС и Ц15оС.

Данные радиолокационных наблюдений позволили определить время существования облака (То) и момент времени (t) относительно появления первого радиоэхо, когда производились измерения параметров в опытном облаке. Исходя из указанных ранее критериев и данных, представленных на рис. 3.3, периодом, в течение которого конвективные облака над КМП пригодны для воздействия, следует считать первую треть их жизни, что составляет в среднем 10-15 мин после появления первого радиоэхо, т.к. в этот период в облаках наблюдаются низкие концентрации кристаллов, высокое содержание переохлажденной воды и интенсивные восходящие потоки.

Наряду с исследованием конвективных облаков, развивающихся над КМП в естественных условиях, при проведении эксперимента исследовались микрофизические, динамические и радиолокационные характеристик облаков с целью выявления различий в эволюции параметров облаков, засеянных аэрозолями йодистого серебра, и контрольных облаков, развивающихся в естественных условиях, и тем самым проверки гипотезы динамического засева, согласно которой засев конвективных облаков должен сопровождаться их ростом, расширением площади осадков и увеличением времени их выпадения.

На рис. 3.4 приведены графики временного хода осредненных значений высоты верхней границы Н, площади осадков S, максимальной отражаемости Z и потока осадков F, определенных по данным радиолокационных наблюдений для засеянных и контрольных ячеек облачных кластеров.

Рис. 3.4. Временной ход радиолокационных характеристик засеянных и контрольных конвективных ячеек: а) высота верхней границы радиоэхо; б) максимальная радиолокационная отражаемость; в) площадь осадков; г) поток осадков.

Характерной особенностью эволюции как засеянных, так и контрольных ячеек в первые 5-7 мин после засева, выполненного в момент времени t=0, является отсутствие заметных различий во временном ходе анализируемых радиолокационных характеристик. Этот отрезок времени можно считать периодом линерционного роста, когда искусственная кристаллизация в вершине ячеек еще не успела сказаться на их динамике и микрофизике.

Как следует из рисунка через 7-10 мин после засева начинает наблюдаться заметное отличие в развитии засеянных и контрольных ячеек. В это время у контрольных ячеек прекращался рост высоты, радиолокационной отражаемости и интенсивности осадков. В то же время в группе засеянных ячеек продолжалось увеличение значений этих характеристик. В последующие 5-10 мин средний прирост вертикальной мощности засеянных облаков увеличился на 600-1000 м по сравнению с контрольными, радиолокационная отражаемость выросла на 4-5 дБZ, площадь осадков на 14-16 км2 , а потоки осадков из засеянных облаков увеличились в 1,5-2 раза. На 15-й минуте после засева поток осадков достиг своего максимального значения 350 103 м3 ч-1, в то время как у контрольных облаков поток осадков составлял 180-190 103 м3 ч-1.

После стадии зрелости, наступившей примерно через 20-25 мин после образования ячеек и характеризующейся стабилизацией радиолокационных характеристик, наступала стадия диссипации. При этом диссипация конвективных ячеек, подвергшихся воздействию, наступала на 10-15 мин позже, чем у развивающихся в естественных условиях. Таким образом, анализ эволюции радиолокационных параметров засеянных и контрольных облачных ячеек позволил провести физическую оценку эффективности динамического засева облаков льдообразующим реагентом.

Наряду с физической оценкой эффективности воздействий в результате анализа экспериментального материала, полученного в 1986-1990 гг. при поведении на КМП подтверждающей фазы рандомизированного эксперимента по засеву конвективных облаков с целью увеличения осадков, были получены статистические оценки эффективности динамического засева изолированных конвективных облаков и ячеек облачных кластеров. Результаты анализа показали, что засеянные изолированные облака с высотой радиоэха в момент первого пролета самолета Но = 6,58,0 км, т.е. температурой на уровне верхней границы (ВГ) Ц10оС Ц20оС, имели время жизни на 10 мин больше, имели большую (на 0,7 км) высоту радиоэха, отражаемость и площадь осадков, и дали осадков на 115% больше по сравнению с незасеянными облаками. Оценка различия характеристик засеянных и контрольных облаков, выполненная с использованием критерия Манна-Уитни, показала, что различия во времени жизни облаков, количестве выпавших осадков и их суммарной площади за время жизни облака значимы соответственно на уровнях 0,034, 0,031 и 0,047. Это означает, что увеличение количества осадков, времени жизни облака и площади осадков при засеве изолированных облаков, высота радиоэхо которых на момент пролёта самолёта находилась между изотермами Ц100С и Ц200С, не является случайным и связано с изменениями в эволюции параметров засеянных облаков, если принять за уровень статистической значимости значение 0,05.

Для облаков с Но < 6,5 км, т.е. с температурой ВГ выше Ц10оС, положительный эффект наблюдается только для времени жизни облаков и максимальной радиолокационной отражаемости. Для других параметров эффект засева был отрицательным. Для облаков с Но > 8 км, т.е. с температурой ВГ ниже Ц20оС, наблюдались отрицательная реакция на засев по времени существования облака и отражаемости, и положительная по всем остальным параметрам. Однако сравнение засеянной и контрольной выборок показало, что различия между выборками по всем анализируемым параметрам находятся на уровнях значимости 0,075-0,475, т.е. оценки не являются статистически значимыми, если принять за уровень значимости значение 0,05.

Аналогичные результаты были получены при анализе результатов воздействий на облачные кластеры. В группе облаков с ВГ ячеек Но = 6,58,0 км, т.е. с высотой между изотермами Ц10оС и Ц20оС, засеянные ячейки имели время жизни на 10 мин больше, были на 1,6 км выше, имели площадь выпадения осадков на 28% больше и дали осадков на 65% больше, чем контрольные ячейки облачных кластеров. При этом различия во времени жизни облаков, количестве выпавших осадков, мощности облака и максимальной площади осадков за время жизни облака оказались статистически значимыми на уровнях 0,032, 0,047, 0,014 и 0,029, соответственно.

Таким образом, результаты физико-статистического анализа радиолокационных параметров засеянных и контрольных конвективных облаков позволили наглядно продемонстрировать возможность модификации конвективных облаков на КМП путем их динамического засева льдообразующим реагентом.

Сравнение осредненных значений радиолокационных параметров облаков, исследованных в различных географических районах (на Кубе, в Поволжье, Техасе и Таиланде), показали, что при использовании оптимальной методики воздействий засев аэрозолями йодистого серебра близких по типу, мощности и степени переохлаждения облачных ячеек дает возможность получать достаточно сопоставимые количества дополнительных осадков. Показано, что заметное влияние на эффективность воздействий оказывают метеорологические условия, обуславливающие разное водосодержание атмосферы в периоды проведения опытов по засеву облаков.

В четвертой главе приводится обзор методов, используемых для оценки результатов работ по ИРО, из которого следует, что при надлежащем планировании и выполнении наиболее надежные оценки увеличения количества осадков дают рандомизированные эксперименты. Однако следует отметить, что для получения статистически значимого результата требуется получение достаточно большого количества ЭЕ, и, как следствие, большая продолжительность (5-10 лет) проведения рандомизированных экспериментов. Кроме того примерно половина пригодных для воздействия ситуаций используется в них только для контроля, что приводит к недополучению потребителем существенной части дополнительных осадков при выполнении оперативных работ по ИУО. В связи с этим для статистической оценки результатов оперативных работ по ИУО в мировой практике широко используется метод исторической регрессии. Следует отметить, что условия проведения оперативных работ по ИУО на больших территориях как правило таковы, что применить для их оценки классический метод исторической регрессии напрямую не удается. Это обусловлено невозможностью выбора заранее контрольной территории из-за требований заказчика по проведению воздействий на всей территории работ.

Во втором параграфе главы описывается метод исторической регрессии, модифицированный применительно к статистической оценке результатов оперативных проектов по ИУО на больших территориях. Для контроля эффективности работ предлагается использовать метод плавающего контроля (МПК), суть которого заключается в использовании в качестве контрольных станций не фиксированного набора метеостанций, а переменного или плавающего. В качестве контрольных выбинраются станции, которые в течение анализируемого периода работ (обычно при проведении оперативных проектов в качестве такого берется месяц) не испытали возндействия засева облаков. При этом территория работ делится на зоны (субмишени) с целью повышения точности прогнозирования осадков на площади мишени по регрессионному соотношению за счет увеличения корреляции между осадками контрольных станций и мишени.

В МПК осадки V(j), выпавшие в зоне (субмишени) с номером m в месяце с номером k в j-том году, "прогнозируются" по линейному уравнению регрессии вида:

V(j) =av( j) +bv( j) + cj + d, (4.1)

где v(j) - количество осадков, выпавших на опорной станции с номером i за тот же период; L(m,k) и l(m,k) соответственно обозначены множества контрольных станций, расположенных на площади субмишени с номером m и в ее окрестности, которые оказались на удалении 50-70 км от зоны засева облачности в месяце с номером k . Коэффициенты a, b, cи dопределяются методом наименьших квадратов по данным опорного периода. Количество осадков V(j) определяется путем суммирования проинтерполированных в узлы регулярной прямоугольной сетки величин осадков, измеренных на опорных метеостанциях.

При использовании метода регрессионного анализа возникает задача выбора набора независимых переменных для достаточно точного прогноза количества осадков на территории субмишени по данным контрольных осадкомерных станций. В качестве меры согласия модели регрессии с имеющимися данными широко используется коэффициент детерминации R2, т.е. квадрат множественного коэффициента корреляции R, численно выражающий долю дисперсии зависимой переменной Y, объясненную с помощью регрессионного уравнения, и вычисляющийся по формуле:

R2 = , (4.2)

где = - среднее значение зависимой переменной yi, i - значения, рассчитанные по уравнению регрессии. Из (4.2) следует, что максимизация R2 равносильна минимизации остаточной суммы квадратов и, следовательно, минимизации несмещенной оценки дисперсии S2 = [] / (nЦp), где n и p - соответственно длина выборки и число независимых переменных в регрессионной модели, включая свободный член.

Однако, критерий R2 непригоден для процедуры отбора подмножества предикторов, так как при сравнении подмножеств та модель, которая включает больше предикторов, будет иметь большее значение R2, поскольку при включении в регрессионное уравнение новой переменной коэффициент корреляции может только увеличиться. Критерий R2 можно использовать для выбора лучшего подмножества, если число предикторов фиксировано.

В случае переменного числа предикторов вместо R2 в качестве критерия качества прогноза по уравнению регрессии предложено использовать его модификацию - скорректированный коэффициент детерминации, определяемый как

Rp2 = 1 Ц ( 1 Ц R2 ) , (4.3)

где p - количество членов в регрессионном уравнении (4.1). Свойства этой статистики таковы, что в отличие от R2 не при всяком включении в уравнение новой переменной ее значение увеличивается. Это происходит только в случае, если F-статистика при проверке гипотезы о значимости включаемой переменной будет больше заданного порогового значения. В противном случае включение нового предиктора уменьшает значение Rp2. Таким образом, наилучшим регрессионным уравнением можно считать уравнение с подмножеством переменных, обеспечивающих наибольшее значение Rp2.

При выборе наилучшего подмножества предикторов наряду со статистикой Rp2 можно использовать связанный с ней показатель, предложенный Маллоузом - Ср, основывающийся на средней ошибке прогноза зависимой переменной и являющийся функцией остаточной суммы квадратов для построения регрессионного уравнения

Ср = - (n - 2p) , (4.4)

где - оценка дисперсии случайной ошибки уравнения регрессии, содержащего все переменные; n и p - соответственно длина выборки и число членов в регрессионной модели.

Таким образом, для выбора наилучшего подмножества предикторов в уравнении регрессии могут быть использованы два взаимосвязанных критерия - максимум скорректированного коэффициента детерминации Rp2 и критерий Ср Маллоуза, обеспечивающие минимальность несмещенной оценки дисперсии случайной ошибки уравнения регрессии и, следовательно, наилучшее качество прогнозирования по выбранному уравнению. Для отбора наиболее информативных подмножеств независимых переменных рекомендуется использовать пошаговые процедуры, среди которых наиболее распространенными являются: метод исключения, метод включения и комбинированный метод включения-исключения.

После завершения процедуры определения оптимального уравнения регрессии эффект от проведения активных воздействий с целью ИУО на субмишени m в месяце с номером k, выраженный в виде объема дополнительных осадков V, определяется как разность , т.е. разность между фактически выпавшими на ней осадками V и их оценкой по оптимальному уравнению регрессии.

В пятой главе рассматриваются результаты оперативных работ по ИУО, выполненных российскими специалистами в Республике Саха (Якутия), в Сирийской Арабской Республике (САР), в Исламской Республике Иран и Португалии с использованием описанной в предыдущих разделах диссертации российской технологии искусственного увеличения атмосферных осадков.

Проект в САР был проведен в виде законченного цикла работ от предварительного научного обоснования (исследование метеоусловий и демонстрация возможностей российской технологии ИУО, проведенные в марте-апреле 1991 года) и подтверждающего эксперимента на всей территории Сирии (площадь около 185а000 км2) в течение сезона осадков (с декабря по март 1991-1992 гг.), до пятилетнего производственного проекта (1992-1997 гг.) и полной передачи российской технологии ИУО сирийской стэффициента корреляции R, численно выражающий долю дисперсии зависимой переменной Y, объясненную с помощью регрессионного уравнения, и вычисляющийся по формуле:

R2 = , (4.2)

Rp2 = 1 Ц ( 1 Ц R2 ) , (4.3)

Ср = - (n - 2p) , (4.4)

В первые два сезона в работах единовременно использовалось до пяти российских СМЛ (Ил-18, Ан-12, Ан-26 и ЯК-40). В 1992-1993 гг. российскими специалистами было оборудовано четыре сирийских СМЛ (два Ан-26 и два ЯК-40), и, начиная с сезона 1993-1994 гг., в работах использовались только сирийские самолеты. Все самолеты были оборудованы ИВК и средствами для засева облаков. В качестве реагента для засева облаков использовалось йодистое серебро, вводимое в облака путем отстрела пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50 в момент пролета самолета над облаками или на 100-300 м ниже ВГ облачности. Для управления авиаработами в 1991-1992 гг. на территории САР была создана радиолокационная система из четырех радиолокаторов МРЛ-5, оборудованных автоматизированными комплексами АКСОПРИ, практически полностью перекрывающих территорию страны (рис. 5.1).

Для оценки результатов воздействий в проекте был разработан и апробирован модифицированный метод исторической регрессии или метод плавающего контроля (МПК), подробное описание которого приведено в четвертой главе диссертации. Потенциальными предикторами уравнений регрессии (4.1) являлись суммарные за месяц количества осадков (т.к. архив содержит месячные суммы осадков), выпавших на тех из 47 опорных метеостанций, которые в конкретном месяце сезона воздействий находились вне зоны 2-х часового переноса облачности и осадков от всех линий воздействия данного месяца. Направление и скорость переноса для каждого случая воздействия определялись по данным радиолокационных комплексов АКСОПРИ. В качестве опорных использовались 47 станций метеорологической сети Сирии, имеющих непрерывные 30-летние ряды наблюдений с 1959 по 1988 гг. Принимая во внимание высокую пространственную неоднородность осадков на территории Сирии, оценка воздействий проводилась по шести зонам (субмишеням), характеризующимся сравнительной однородностью средних многолетних слоев осадков.

Результаты статистической оценки эффективности регулярных воздействий на облака показали, что за шесть сезонов работ было получено от 0,9 до 4,8 км3 дополнительной оводы, что составило 6,9-16,5% от естественных осадков. При этом для четырех сезонов величины эффекта были статистически значимыми, как и оценка за весь период работ. В целом, на территории САР в период 1991-97 гг. в среднем за сезон было получено около 3 км3 дополнительной воды, что составляет 11,1% от их естественного объема. При этом себестоимость одной тонны воды, полученной в результате АВ, за 6-ти летний период по оценкам сирийской стороны составила около 0,003 доллара США.

Для оценки экономической целесообразности ИУО в интересах сельского хозяйства Сирии, были выполнены исследования связи количества выпадающих в период с декабря по март осадков с урожайностью. Для исследований рассмотрены данные для трех основных сельскохозяйственных культур: пшеницы, высокопродуктивной пшеницы и ячменя, занимающих около 95 процентов от общей площади земель, используемых в Сирии для неорошаемого выращивания сельхозпродукции. Для пшеницы и ячменя использовались данные за 20-летний период (1971-90 гг.), а для высокопродуктивной пшеницы - за 17-летний период (1974-1990 гг.). Регрессионный анализ продемонстрировал наличие тесной связи урожайности с объемом выпадающих за четыре месяца осадков (рис. 5.2).

Для оценки экономической эффективности ИУО была использована полученная с помощью регрессионного анализа связь урожайности пшеницы с количеством осадков. В предположении, что рост осадков благодаря АВ на облака составит 10-15%, объем дополнительно полученной воды ΔV будет около 3 - 4,5 км3. При занятой в 1990 г. под пшеницу площади S = 1 млн. га, увеличение сбора урожая будет равно 81-122 тыс. тонн. При стоимости 1 кг пшеницы 0,1 доллара США экономическая эффективность увеличения осадков, выпадающих в период с декабря по март, т.е. в наиболее благоприятные с точки зрения увеличения осадков месяцы, составит около 8-12 млн. долл. США.

Проект по ИУО в Центральной части Ирана (провинция Йязд) был начат в 1999 г. и продолжается по настоящее время. В первом сезоне (февраль-апрель 1999 г.) работы проводились на площади радиусом 200 км (около 125 тыс. км2) (рис. 5.3), с использованием российского СМЛ Ан-30, оборудованного ИВК и системой для отстрела пиропатронов ПВ-26 с йодистым серебром. Для измерения осадков и статистической оценки эффекта воздействий использовались 42 осадкомера, имеющие 26-летние ряды наблюдений.

Во втором и третьем сезонах (январь-апрель 2000 и 2001 гг.) площадь работ была увеличена до 280 тыс. км2 в 2000 г. и до 385 тыс. км2 в 2001 г. (т.е. работы выполнялись в радиусе 300 и 350 км вокруг г. Йязд), и для измерения осадков и статистической оценки эффект воздействий, проводившейся по семи зонам, характеризующимся сравнительной однородностью средних многолетних слоев осадков, использовались данные 106 и 150 осадкомеров с 26-летними непрерывными рядами наблюдений. Для засева облаков наряду с йодистым серебром использовался жидкий азот, распыляемый в облаках с помощью самолетных азотных генераторов ГМЧЛ-А. С 2001 г. в работах используется два радиолокационных комплекса АКСОПРИ-Е.

В сезоне 2006-2007 гг. после приобретения иранской стороной двух самолётов Ан-26 и их оборудования ИВК и техническими средствами воздействий, были продолжены полевые работы по засеву облаков на территории Проекта, площадь которого была увеличена до 500 тыс. км2 (территория в радиусе 400 км вокруг г. Йязд). Работы выполнялись с 26 ноября 2006 г. по 14 апреля 2007 г.

Результаты статистической оценки эффективности оперативного засева облаков на территории Центральной части Ирана, полученные с использованием МПК показали, что за 3-5 зимних месяцев может быть получено от 0,7 до 4,8 км3 дополнительной воды или от 14 до 40% от их естественного количества, что позволяет компенсировать наблюдаемое для данной территории 10-12%-ное уменьшение количества естественных осадков.

В 1995-1997 и 2003-2005 гг. проводились опытно-производственные работы по ИУО на территории Республики Саха (Якутия) - в междуречье рек Лены и Амги на площади около 30а000 км2 (рис. 5.4). За этот период было выполнено 7 летных экспедиций на самолетах Ан-26, Ан-30 и Ил-18, оборудованных быстросъемными комплексами технических средств в составе ИВК, самолетного генератора ГМЧЛ-А и системы отстрела пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50. В 2004 г. с целью повышения экономической эффективности работ был оборудован самолет Ан-26 якутской авиакомпании СирАЭРО, на котором было установлено метеооборудование и средства воздействия для засева облаков пиропатронами ПВ-26 и жидким азотом.

Результаты статистической оценки эффективности засева облаков на территории Центральной Якутии, выполненные с использованием МПК, показали, что использование разработанной в ЦАО технологии АВ на облака позволило увеличить ежемесячное количество осадков на территории работ от 10 до 117%, т.е. ежемесячно получить дополнительно от 40 до 365 миллионов тонн пресной воды.

В октябре-ноябре 1999 г. российскими специалистами была выполнена в Португалии полевая программа по исследованию и проведению пробных воздействий на облачность осеннего периода с целью оценки ее пригодности для ИУО с использованием российской технологии. Для исследования облачности и проведения воздействий использовался СМЛ АН-30 Циклон, оборудованный ИВК и средствами для засева облаков с использованием пиропатронов ПВ-26-95 с йодистым серебром и жидкого азота. Для контроля результатов воздействий использовались осадкомерные данные 50 станций метеослужбы Португалии, имеющие 30-летние непрерывные ряды суточных слоев осадков. В результате исследований облачности и статистической оценки эффекта воздействий, выполненной с использованием МПК, было установлено, что за 8 рабочих дней (с 22 по 29 октября) в результате засева облаков было получено 0,37 км3 дополнительной воды, что составило 7,4% от объема естественных осадков за этот период. Эффективность воздействий была подтверждена также результатами самолетных исследований эволюции микрофизических характеристик облаков.

Описанные выше результаты четырех оперативных проектов по ИУО, выполненных при участии автора в различных регионах мира - Якутии, Сирии, Иране и Португалии, свидетельствуют о высокой экономической эфнфективности разработанной в ЦАО технологии ИУО как средства для решения проблемы дефицита пресной дождевой воды.

В шестой главе приводится описание концепции и технических средств для выполнения работ по изменению условий погоды в мегаполисах методами активных воздействий. Основной задачей этих работ является рассеяние облаков и уменьшение или прекращение осадков на защищаемой территории. В зависимости от синоптической ситуации обычно применяются четыре метода воздействия: 1) рассеяние слоистообразной облачности; 2) инициирование преждевременного выпадения осадков из облачных систем на наветренной стороне от защищаемой территории путем засева этих систем с целью образования тени осадков, т.е. их прекращения или ослабления над заданной территорией; 3) интенсивный засев (лперезасев) натекающей на защищаемую территорию осадкообразующей облачности с целью снижения в ней эффективности осадкообразования вследствие создания больших концентраций ядер кристаллизации и 4) разрушение мощных кучево-дождевых облаков динамическим способом для предотвращения ливней и гроз.

Для выполнения работ по метеозащите используются самолеты, оборудованные необходимой для проведения воздействий измерительной аппаратурой, системой радиообмена данными Земля-Борт-Земля и средствами засева облаков. В качестве реагентов для засева облаков используется жидкий азот, твердая углекислота, йодистое серебро и грубодисперсный порошок. Для управления авиационными работами и контроля результатов засева облаков используются наземные автоматизированные радиолокационные метеорологические комплексы. В связи с невозможностью использования для оценки результатов работ по метеозащите крупных городов методов рандомизации и МПК для их оценки используется метод сравнения количества осадков, выпавших над защищаемой территорией, с осадками, выпавшими в одном или нескольких контрольных районах, не подвергавшихся влиянию засева облаков.

Результаты более чем 40 крупномасштабных работ по созданию благоприятных погодных условий в мегаполисах, выполненных с 1995 г. в различных регионах России и ближнего зарубежья, показывают, что при проведении работ с участием в каждой из них от 6 до 12 самолетов в 38% случаев (рис. 6.1, область 1) воздействия не проводились из-за отсутствия условий; в 25% случаев (рис. 6.1, область 2) воздействия привели к разрушению осадкообразующих облаков и, тем самым, к полному предотвращению осадков на защищаемой территории; и в 37% случаев (рис. 6.1, область 3) - к существенному (в 3 - 10 раз) уменьшению количества осадков на защищаемой территории по сравнению с осадками, выпавшими на контрольных территориях (рис.6.2).

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы:

Впервые обнаружена, исследована и экспериментально подтверждена связь переохлажденных капельных зон в облаках, дающих осадки, с зонами повышенных НПВ в пограничном слое атмосферы, и на основании этой связи разработан и прошел экспериментальную проверку новый радиолокационный метод обнаружения таких зон в облаках и облачных системах. Показано, что радиолокационный метод позволяет обнаруживать в слоистообразных и конвективных облаках, дающих осадки, соответственно, 80 и 95% переохлажденных капельных зон.

В результате комплексных радиолокационных и самолетных исследований получены экспериментальные данные о размерах, пространственном распределении и времени жизни зон НПВ и характеристики связанных с ними наиболее лактивных областей облачных систем, включающие: средние значения водности в областях с переохлаждёнными каплями; относинтельные площади, занятые такими областями на всей площади облачной системы; распределения областей по размерам и времена их жизни.н Использование оценок водозапаса зон облаков с переохлажденными каплями, обнаруживаемыми с помощью предложенного в диссертации метода, позволило провести оценку полигона международного Проекта увеличения осадков в Испании для проведения работ по ИУО. Выполненные оценки показали, что: 1) для протяженных облачных систем возможное увеличение количества осадков составляет 8%; 2) для конвективных облаков - 34%; 3) в целом за сезон возможное увеличение количества осадков составляет 17%. Показано, что использование разработанного метода позвонляет значительно повысить достоверность и надежность оценки понтенциально возможного увеличения количества осадков на площади полигона и его пригодности для ИУО.

Таким образом, результаты исследований и полевых испытаний показали перспективность использования предложенного в диссертации радиолокационного метода для оперативного обнаружения обнластей с переохлажденными каплями в протяженных фронтальных облачных системах, что важно при организации и проведении как исследовательских, так и оперативных работ по АВ на облака с целью ИРО больших площадях.

В результате статистического моделирования с использованием предложенной в диссертации методики оценки количества ЭЕ, необходимого для выявления эффекта воздействий при проведении рандомизированных экспериментов, показано, что использование радиолокационной информации о количестве осадков за короткие интервалы времени и их сверхкраткосрочном прогнозе позволяет в 3-20 раз уменьшить количество ЭЕ, требуемых для обнаружения эффекта воздействий, и тем самым значительно сократить сроки проведения экспериментов по ИУО.

На основе метода исторической регрессии разработан метод метод плавающего контроля для оценки оперативных работ по ИУО на большой территории, характеризующейся большой пространственной неоднородностью осадков. С помощью разработанного метода получены статистические оценки месячного и сезонного эффекта увеличения осадков в оперативных работах по ИУО в различных географических районах мира - в Республике Саха (Якутия), в Сирийской Арабской Республике, в Исламской Республике Иран и Португалии. В настоящее время МПК используется для статистической оценки результатов оперативных работ по ИУО в Сирии и Иране.

На основе многолетних данных о количестве осадков и урожайности обычной и высокопродуктивной пшеницы, а также ячменя впервые определены регрессионные зависимости урожайности этих основных сельскохозяйственных культур Сирии от количества выпадающих за четыре зимних месяца осадков. С использованием полученных моделей УурожайЦосадкиФ спрогнозирована высокая экономическая эффективность работ по увеличению осадков в Сирии.

В результате выполненных на Камагуэйском метеополигоне (КМП) (Куба) исследований микрофизических, динамических, радиолокационных и СВЧ-радиометрических характеристиках облачности и осадков были выработаны критерии пригодности тропических конвективных облаков для засева с целью получения дополнительных осадков, оценены облачные ресурсы на КМП, исследована эволюция радиолокационных характеристик конвективных облаков на КМП при их естественном развитии и при засеве льдообразующим реагентом и в результате проведения рандомизированного эксперимента доказана возможность модификации тропических конвективных облаков путем их динамического засева. Так засев растущих конвективных ячеек с температурой на уровне верхней границы в диапазоне Ц10оС Ц20оС сопровождается их большим вертикальным ростом, увеличением времени существования, площади радиоэхо осадков, их отражаемости и, как следствие этих изменений, увеличением на 115% осадков из засеянных одиночных облаков и на 65% из засеянных ячеек облачных кластеров по сравнению с незасеянными. Полученные в эксперименте результаты используются в оперативных работах по ИУО на территории Кубы.

Результаты физико-статистическиой оценки эффективности более чем 40 крупномасштабных опытно-экспериментальных работ по ИРО с целью метеозащиты мегаполисов, выполненных с 1995 г. в различных регионах России и ближнего зарубежья, показывают, что проведение работ по улучшению погоды в мегаполисах с участием в каждой из них от 6 до 12 самолетов в 25% случаев привело к разрушению осадкообразующих облаков и, тем самым, к полному предотвращению осадков на защищаемой территории, и в 37% случаев - к существенному (в 3Ц10 раз) уменьшению количества осадков на защищаемой территории по сравнению с осадками, выпавшими на контрольных территориях.

Приведенные в диссертации результаты исследований внедрены в нормативную руководящую документацию, регламентирующую проведение работ по ИРО самолетными методами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Ivanov A.A., Koloskov В.Р., Haikin M.N. The structure оf intensive turbulence and high depolarization zones in Cb according to radar data. // Proc. 16th Radar Met. Conf., Houston, Техаs. - 1975. - P. 69-72.
Иванов А.А., Колосков Б.П., Мельничук Ю.В., Черников А.А. Радиолокационный метод исследований пространственной структуры турбулентности в облаках и осадках. // Труды 4-го Всесоюзного совещания по радиометеорологии. - М.: Гидрометеоиздат, 1978. - С. 37-41.
Радиолокационные измерения осадков и организация контрольных наблюдений / Берюлев Г.П., Голубев В.С., Колосков Б.П. и др. // Труды ГГИ. - 1980. - вып. 266. - С. 50-63.
Radar meaaurements of гain and snowfall in connection with evaluation оf weather modification results /н Beryulev G.P., Chernikov А.А., .Golubev V.S., Koloskov В.Р., Melnichuk Yu.V. // Proc. 3th WМO Scientific Conference оn Weather Modification, Clermont-Ferrand. - 1980. - V.1. - Р. 387-390.
Автоматизированная радиолокационная система измерения осадков на территории Московской, Калужской и Рязанской областей / Берюлев Г.П., Губарчук В.Н., Колосков Б.П. и др. // Тезисы докладов на Всес. семинаре Технические средства для государственной системы контроля природной среды. - Обнинск, 1981. - C. 79-81.
Автоматизированная радиолокационная система оперативного измерения осадков на площади / Берюлев Г.П., Винокур Г.В., Губарчук В.Н., Колосков Б.П. и др. // Труды VI Всес. совещания по радиометеорологии. Ц Л.: Гидрометеоиздат, I984. - С. 8-12.
Колосков Б.П., Мягков А.Е., Pyдeнкo Ю.И., Шупяцкий А.Б. Радиолокационный комплекс для работ по активным воздействиям на базе МРЛ-5 и аппаратуры цифровой регистрации данных // Тезисы докладов 2-го Всесоюзного семинара Технические средства для государственной системы наблюдений и контроля природной среды. - Обнинск, 1983. - С. 144-145.
Melnichuk Yu. V., Koloskov B.P. Тhe analysis оf the radar daнta obtained during the SSР-3 and the evaluation оf seedability of>
Koloskov B., Massambani O., Lope M., Austin G. Report оf joint USSR/CANADA/SPAIN work оn the radar detection оf areas оf supercooled water. // Proc. РЕР Report 29, Geneva. Ц 1983. - P. 49-58.
Развитие системы радиолокационного измерения осадков для задач сверхкраткосрочного прогноза полей осадков и оценки результатов активных воздействий / Вишневский В.С., Колосков Б.П., Кругляк М.С., Мельничук Ю.В. и др.// Тезисы докладов 2-го Всесоюзного семинара Технические средства для государственной системы наблюдений и контроля природной среды. - Обнинск, 1983. - С. 148-149.
Колосков Б.П.. Мельничук Ю.В. Обнарунжение областей с переохлажденной жидкокапельной влагой в облаках и облачных системах с помощью УИТ // Труды VI Всес. совещания по радиометеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, I984. - С. 91-94.
Koloskov B.P., Melnichuk Yu.V., Sedunov Yu.S. Investigation оf cloud systems at the РЕР site in Spain. // Proc. 9th Interнnational Cloud Physics Conference, Tallin. - 1984. - V.2. - P. 375-378.
Burtsev I.I., Koloskov B.P., Melnichuk Yu.V. Radar assessment of potential increase in precipitation at the PEP Site in Spain. // Proc. of the Fourth WMO Scientific Conference on Weather Modification, Honolulu, Hawaii, U.S.A. - 1985. - V. II. - P. 437-442.
Колосков Б.П., Мельничук Ю.В. Использование радиолокационных данных об осадках для оценки результатов засева облаков // Тезисы докладов III-го Всесоюзного семинара-совещания Планирование и оценка эффективности работ по искусственному увеличению осадков. - Тбилиси, I986. - C. 13-14.
Колосков Б.П., Мельничук Ю.В., Шипилов О.И. Использование радиолокационных данных об осадках для оценки результатов засева облаков // Метеорология и гидрология. - 1987. - №1. - C. 19-26.
Колосков Б.П., Мельничук Ю.В. Оценка результатов активных воздействий с целью регулирования осадков по цифровой радиолокационной информации // Труды VII Всес. совещания по радиометеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, I989. - С. 154-158.
Результаты оценки облачных ресурсов для регулирования осадков на Камагуэйском метеорологическом полигоне / Батиста Л., Белинский О.Н., Беляев В.П., Данелян Б.Г., Зимин Б.И., Колосков Б.П. // Труды 4-го международного симпозиума по тропической метеорологии, Гавана, 1987. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - С. 330-336.
Условия формирования конвективной облачности в районе проведения эксмпериментов по искусственному регулированию осадков на Кубе / Амаро Л., Морено А., Белинский О.Н., Беляев В.П., Зимин Б.И., Колосков Б.П. // Труды 4-го международного симпозиума по тропической метеорологии, Гавана, 1987. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - С. 336-345.
Радиолокационные характеристики конвективных облаков и осадков в районе Камагуэйского метеорологического полигона на Кубе / Батиста Л., Беликов С.Г., Беляев В.П., Данелян Б.Г., Зимин Б.И., Колосков Б.П. и др. // Труды 4-го международного симпозиума по тропической метеорологии, Гавана, 1987. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - С. 345-351.
Облачные ресурсы для увеличения осадков на КМП / Батиста Л., Белинский О. Н., Беляев В.П., Данелян Б.Г., Зимин Б.И., Колосков Б.П. и др. // Труды Всесоюзной конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Киев, 1987 г. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - С. 84-89.
Экспериментальные исследования реакции тропических конвективных облаков на засев аэрозолями йодистого серебра / Беляев В.П., Зацепина Л.П., Зимин Б.И., Петров В.В., Колосков Б.П. и др. // Труды Всесоюзной конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Киев, 1987 г. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - С. 205-209.
Характеристики тропических конвективных облаков в районе Камагуэйского метеорологического полигона (Куба) по данным радиолокационных наблюдений / Батиста Л., Беликов С.Г., Беляев В.П., Данелян Б.Г., Зимин Б.И., Колосков Б.П. и др. // Труды Всесоюзной конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Киев, 1987. - Л.: Гидрометеоищдат, 1990. - С. 521-526.
Колосков Б.П., Петров В.В., Беляев В.П., М. Вальдес, Г. Пуэнтес. Пространственно-временные изменения физических параметров тропических конвективных облаков // Тезисы докладов Всесоюзной конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик. - 1991. - С. 83-84.
Вальдес М., Б.П. Колосков, В.В. Петров. Физическая оценка эффекта воздействия на конвективные облака по данным самолетных и радиолокационных наблюдений // Тезисы докладов 5-го международного симпозиума по тропической метеорологии, Обнинск. - 1991. - С. 139.
Колдаев А.В., Колосков Б.П., Моргоев А.К., Агапов Ю.В. Оценки водозапаса тропических конвективных облаков на различных стадиях их развития по данным СВЧ-радиометрических измерений // Тезисы докладов 5-го международного симпозиума по тропической метеорологии, Обнинск. - 1991. - С. 169.
Результаты экспериментов по активным воздействиям на изолированные конвективные облака и облачные кластеры на КМП / Батиста Л., Беляев В.П., Вальдес М., Данелян Б.Г., Зацепина Л.П., Зимин Б.И., Колосков Б.П. и др. // Труды ЦАО. - 1992. - вып. 177. - С. 54-61.
Батиста Л., Колосков Б.П., Перера А., Руденко Ю.И. Результаты исследований радиолокационных характеристик конвективных облаков и осадков на Камагуэйском полигоне // Труды ЦАО. - 1992. - вып. 177. - С. 81-93.
Зимин Б.И., Б.П. Колосков, Ю.А.Серегин, А.А.Черников. Об искусственном увеличении осадков из конвективных облаков в тропической зоне и в равнинных районах европейской части СССР // Метеорология и гидрология. - 1992. Ц № 3. Ц С. 54-61.
Aumentio artificial de las precipitaciones por siembra de nubes convectivas en el tropico / Valdes M., D. Martines, L.Batista et al. // La Meteor. Moondo Iberoamericano. - 1992. - №2. - P.11-18.
Shipilov O.I., Koloskov B.P., Abbas A. Statistical evaluation of cloud seeding operations in Syria (1991-1993) // VI WMO Sci. Conference on Weather Modification, Italy, Paestum. - 1994. - V.1. - P. 341-345.
A physical evaluation of the suitability of convective clouds for seeding / Beliaev, V.P., Koloskov. B. P., Koldaev A.V., Petrov V.V. et al. // Proc. Sixth WMO Scientific Conf. on Weather Modification, Paestum, Italy. - 1994. - V.2. - P. 349Ц352.
Investigations of the processes involved in the formation of rain in tropical convective clouds / Beliaev, V. P., Koloskov B. P., Petrov V. V. et al. // Proc. Sixth WMO Scientific Conf. on Weather Modification, Paestum, Italy. - 1994. - V.2. Ц P. 353Ц356.
Chernikov, A., Koloskov B., Seregin Yu., Zimin B. Results of experiments on precipitation enhancement from convective clouds in the Camaguey experimental area, Cuba // Proc. Sixth WMO Scientific Conf. on Weather Modification, Paestum, Italy. - 1994. - V.2. - P.361Ц364.
Results of field experiments on artificial rain enhancement by convective cloud seeding over Cuba / Martinez D., Perez C., Puente G., Zimin B., Koloskov B.P. et al. // Proc. Sixth WMO Scientific Conf. on Weather Modification, Paestum, Italy. - 1994. - V.2. - P. 375Ц378.
Koloskov B.P., Koldaev A.V., Batista L., Perez C. Investigation of spatial and microphysical characteristics of convective tropical clouds by means of remote sensing // Proc. 11th Interнnational Conf. on Clouds and precipitation, Montreal, PQ, Canada. - 1994, P. 204Ц206.
Берюлев Г.П., В.П. Беляев, Б.Г. Данелян, Б.И. Зимин, Б.П. Колосков, А.А.Черников. Оценка эффективности воздействий и количества дополнительных осадков из конвективных облаков // Метеорология и гидрология. - 1995. Ц № 4. - С. 66-86.
Аббас А., Колосков Б.П., Шипилов О.И. Предварительная статистическая оценка результатов работ по увеличению осадков в Сирии // Обозрение прикладной и промышленной математики. - Научное издательство УТВПФ, Москва, 1995. - вып.2. - С. 166-175.
Опыт активного воздействия на облака над Москвой 9 мая 1995 г. / Беляев В.П., Берюлев Г.П., Власюк М.П., Данелян Б.Г., Колосков Б.П. и др. // Метеорология и гидрология. - 1996. Ц № 5. - С. 71-82.
Активные воздействия на облака и оценка их результатов: опыт работы над Москвой 9 мая 1995 г. / Беляев В.П., Берюлев Г.П., Власюк М.П., Данелян Б.Г., Колосков Б.П. и др. // Обозрение прикладной и промышленной математики. - Научное издательство УТВПФ, Москва, 1996. - т.3. - вып.2. - С. 149-162.
The rain enhancement experiment in Yakutia (RUSSIA): 1995-1997 field seasons / Artemiev G.M., Maksimov V.M., Desyatkin R.V., Koloskov B.P. et al. // Proc. of the Theoretical and Practical Aspects of a Regional Precipitation Enhancement Program for the Middle East and Mediterranean, Bari, Italy. - November 1996.
Shipilov O.I., Koloskov B.P., Ali Abbas. A statistical evaluation of cloud seeding operations in Syria in 1991-1995 /V.P., Petrov V.V. et al. // Proc. of the Ninth WMO Scientific Conference on Weather Modification, Antalia, Turkey. - October 2007.
Novo Sadiel, Daniel Martnez, Carlos A. Prez, Boris Koloskov, Felix Gamboa. Radar tracking method for cloud seeding experimental units over Cuba // Proc. of the Ninth WMO Scientific Conference on Weather Modification, Antalia, Turkey. - October 2007.
Beryulev G.P., Danelyan B.G., Koloskov, B.P., Semsar Yazdi A.A., N. Pahlavanhosseiny. Results of precipitation enhancement operations in the Central part of Iran: 2004-2007 // Proc. of the Ninth WMO Scientific Conference on Weather Modification, Antalia, Turkey. - October 2007.
Koloskov, B.P., Korneev V.P., Petrov V.V., Beryulev G.P., Danelyan B.G., Chernikov A.A., Shchukin G.G. Cloud seeding operations to modify weather conditions over cities: 2003-2006 // Proc. of the Ninth WMO Scientific Conference on Weather Modification, Antalia, Turkey. - October 2007.
Колосков Б.П., В.П. Корнеев, В.В. Петров, Г.П. Берюлев, Б.Г. Данелян. Метеозащита мегаполисов: концепция, технические средства и результаты // Вопросы физики облаков (сборник статей памяти С.М. Шметера). - Москва, 2008. - С. 174-200.
Колосков Б.П. Статистическая оценка результатов оперативных работ по увеличению осадков на больших территориях с использованием метода исторической регрессии // Метеорология и гидрология. - 2010. - №4.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по разное

Blog