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

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 1,5-5 раз сократить число ЭЕ по сравнению с использованием 1-часовой ЭЕ даже при оптимальном расположении мишени и контрольной площадки. Расчеты показали, что при переходе к 12-часовой 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).

21

Размещено на http://www.allbest.ru

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 -10…-20^оС, 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 («кластеры») - 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 Н_макс (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 H_макс достигается в первой половине жизни, а I_макс - во второй. В облаках с большим временем жизни и высотой выше 7-8 км H_макс достигается во второй половине жизни, а I_макс - 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.

21

Размещено на http://www.allbest.ru

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 N_к, скоростей вертикальных потоков W, значений жидкокапельной водности w_ж , коэффициента ледности К_л = w_л / (w_л + w_ж ), где w_л - содержание ледяной фазы, и объемно-модального радиуса капель r_mv 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 -7…-20^оС. Измерения проводились на уровне 5,6-6 км (при температурах -6…-11^оС). На рис. 3.3 также нанесена кривая эволюции влагосодержания облака q, полученная по данным самолетных СВЧ-радиометрических измерений влагосодержания облака в слое между -5^оС и -15^оС.

Данные радиолокационных наблюдений позволили определить время существования облака (Т_о) 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 «инерционного» 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 Н_о = 6,5ч8,0 км, т.е. температурой на уровне верхней границы (ВГ) -10^оС ч -20^оС, 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 -10⁰С и -20⁰С, не является случайным и связано с изменениями в эволюции параметров засеянных облаков, если принять за уровень статистической значимости значение 0,05.

Для облаков с Н_о < 6,5 км, т.е. с температурой ВГ выше -10^оС, положительный эффект наблюдается только для времени жизни облаков и максимальной радиолокационной отражаемости. Для других параметров эффект засева был отрицательным. Для облаков с Н_о > 8 км, т.е. с температурой ВГ ниже -20^оС, 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 Н_о = 6,5ч8,0 км, т.е. с высотой между изотермами -10^оС и -20^оС, 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 выбираются станции, которые в течение анализируемого периода работ (обычно при проведении оперативных проектов в качестве такого берется месяц) не испытали воздействия 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 y_i, _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 = [] / (n-p), 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

R_p² = 1 - ( 1 - 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 R_p². Таким образом, наилучшим регрессионным уравнением можно считать уравнение с подмножеством переменных, обеспечивающих наибольшее значение R_p².

При выборе наилучшего подмножества предикторов наряду со статистикой R_p² можно использовать связанный с ней показатель, предложенный Маллоузом - С_р, основывающийся на средней ошибке прогноза зависимой переменной и являющийся функцией остаточной суммы квадратов для построения регрессионного уравнения

С_р = - (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 R_p² и критерий С_р 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.

21

Размещено на http://www.allbest.ru

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 185 000 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 стороне.

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).

21

Размещено на http://www.allbest.ru

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 V 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.

21

Размещено на http://www.allbest.ru

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 30 000 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.

21

Размещено на http://www.allbest.ru

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 эффективности 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 («перезасев») 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).

21

Размещено на http://www.allbest.ru

21

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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 «активных» областей облачных систем, включающие: средние значения водности в областях с переохлаждёнными каплями; относительные площади, занятые такими областями на всей площади облачной системы; распределения областей по размерам и времена их жизни. 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 позволяет значительно повысить достоверность и надежность оценки потенциально 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 областей 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 “урожай-осадки” 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 -10^оС ч -20^оС 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 3-10 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Radar meaaurements of гain and snowfall in connection with evaluation оf weather modification results / 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.

5. 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.

6. 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. - Л.: Гидрометеоиздат, I984. - С. 8-12.

7. 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.

8. Melnichuk Yu. V., Koloskov B.P. Тhe analysis оf the radar data obtained during the SSР-3 and the evaluation оf seedability of class А and C cloud systems. // Proc. РЕР Report 29, Gеnevа. - 1983. - P. 29-48.

9. 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. - 1983. - P. 49-58.

10. 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.

11. Колосков Б.П.. Мельничук Ю.В. Обнаружение 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.

12. Koloskov B.P., Melnichuk Yu.V., Sedunov Yu.S. Investigation оf cloud systems at the РЕР site in Spain. // Proc. 9th International Cloud Physics Conference, Tallin. - 1984. - V.2. - P. 375-378.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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. - № 3. - С. 54-61.

29. 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.

30. 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.

31. 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. 349-352.

32. 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. - P. 353-356.

33. 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.361-364.

34. 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. 375-378.

35. 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. 11^th International Conf. on Clouds and precipitation, Montreal, PQ, Canada. - 1994, P. 204-206.

36. 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. - № 4. - С. 66-86.