МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МОДИФИКАЦИИ ОБЛАКОВ, ОСАДКОВ И ТУМАНОВ

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МОДИФИКАЦИИ ОБЛАКОВ, ОСАДКОВ И ТУМАНОВ"

Транскрипт

1 Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Б.П. Колосков, В.П. Корнеев, Г.Г. Щукин МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МОДИФИКАЦИИ ОБЛАКОВ, ОСАДКОВ И ТУМАНОВ Монография Санкт-Петербург 2012

2 УДК ББК Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов. СПб.: РГГМУ, с. ISBN Рецензент: С.И. Авдюшин, д-р тех. наук, профессор В монографии рассмотрен широкий спектр вопросов в области воздействия на облака и туманы, включая физические основы, технические средства и расчеты, а также радиофизические методы в обеспечении работ по воздействиям. Представлены результаты оригинальных работ по искусственному регулированию осадков, метеозащите мегаполисов, а также рассеиванию переохлажденных туманов в аэропортах. Отдельно рассмотрены вопросы оценки эффективности результатов воздействия на примере работ по искусственному регулированию осадков. Монография предназначена для научных сотрудников, специализирующихся в области метеорологии, физики атмосферы, радиометеорологии, а также аспирантам и студентам соответствующих специальностей. Koloskov B.P., Korneev V.P., Shchukin G.G. Methods and equipments of cloud, rain and fog modification. St Petersburg: RSHU Publishers, pp. The monograph covered а broad range of issues оn the cloud and fog modifications, including physical principles, equipment and calculations, as well as radiophysics methods to provide works оn weather modification. The book presents the results of original work on artificially regulating rainfall, meteorological protection of cities, as wel1 as the dispersion of supercooled fog at airports. The monograph also consider the evaluation of the effectiveness of the modification activity in terms of works on aгtificial regulation of precipitation. ISBN Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г., 2012 Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2012

3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие Введение ГЛАВА 1. Физические основы воздействий на облака и туманы Физические основы воздействия на облака Искусственная модификация переохлажденных облаков с использованием фазовой неустойчивости Активные воздействия на облака с использованием конвективной неустойчивости атмосферы Искусственная модификация теплых облаков Физические основы и методы рассеивания туманов ГЛАВА 2. Реагенты и технические средства для активного воздействия на облака и туманы Хладореагенты и технические средства для их внесения в облака и туманы 2.2. Льдообразующие реагенты и технические средства на их основе Гигроскопические реагенты и технические средства для засева облаков Порошкообразные реагенты и технические средства для их рассеивания Самолеты, используемые при проведении оперативно-производственных работ по искусственному регулированию осадков Измерительная аппаратура самолета-метеолаборатории Система передачи данных «Земля-Борт-Земля» Мобильный пункт управления авиационными работами по воздействию на облака ГЛАВА 3. Радиофизические методы в обеспечении работ по активным воздействиям Методы пассивной радиолокации (радиотеплолокации, микроволновой радиолокации, СВЧ-радиометрии) в задачах АВ Определение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков Экспериментальные исследования влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков Пассивно-активный радиолокационный метод определения водности переохлажденных зон конвективных облаков и интенсивности осадков Пассивно-активные радиолокационные системы Экспериментальные исследования водозапаса и водности конвективных облаков Определение профиля водности в облаках и интенсивности осадков методами пассивно-активной радиолокации ГЛАВА 4. Искусственное увеличение осадков на больших территориях Российско-сирийский проект по ИУО на территории Сирии Российско-иранский проект по ИУО в Центральной части Ирана Опытно-производственные работы по ИУО в Якутии Эксперимент по ИУО в Португалии ГЛАВА 5. Рандомизированный эксперимент по засеву конвективных тропических облаков Описание технических средств и информационно-измерительной системы эксперимента

4 5.2. Оценка облачных ресурсов на Камагуэйском метеополигоне Характеристики облаков и осадков в районе КМП по данным радиолокационных и радиометрических наблюдений Результаты исследований радиолокационных характеристик конвективных облаков и осадков на КМП Результаты радиолокационно-радиометрического зондирования конвективных облаков на КМП Эволюция характеристик конвективных облаков на КМП при их естественном развитии и при засеве льдообразующим реагентом Оценка результатов рандомизированного эксперимента ГЛАВА 6. Метеозащита мегаполисов методами активных воздействий Концепция метеозащиты мегаполисов Рассеяние слоистообразной облачности Инициирование преждевременного выпадения осадков Метод «перезасева» облачности Метод динамического разрушения конвективных облаков Техническое обеспечение работ по метеозащите Планирование и организация работ по метеозащите мегаполисов Результаты работ по метеозащите мегаполисов Описание метода оценки результатов работ по метеозащите мегаполисов Результаты работ по метеозащите крупных городов ГЛАВА 7. Рассеивание переохлажденных туманов Технология рассеивания переохлажденных туманов Рассеивание холодных туманов на автодорогах Автоматизированная система рассеяния переохлажденных туманов на автодорогах Численные эксперименты по исследованию влияния метеорологических величин на процесс искусственного рассеяния тумана Структурная схема системы автоматизированного управления процессом искусственного рассеяния тумана Алгоритм работы системы автоматизированного управления наземными азотными установками Рассеивание переохлажденных туманов в аэропортах Информация, необходимая для разработки схем размещения генераторов Некоторые данные о техническом оснащении аэропорта Алматы Технические средства воздействия, измерения метеопараметров и контроля эффекта рассеяния переохлажденных туманов Анализ данных метеонаблюдений в дни с туманами Разработка схем размещения генераторов в районе аэродрома Алматы Результаты опытно-производственных работ ГЛАВА 8. Оценка эффективности активных воздействий Методы оценки результатов работ по искусственному регулированию осадков Метод исторической регрессии и его модификация для статистической оценки оперативных проектов Литература

5 CONTENTS Preface Introduction CHAPTER 1. Physical basis of clouds and fog modification Physical basis of the intended modification of clouds Artificia1 modification of supercoo1ed clouds using phase instabi1ity Intended modification of c1ouds using convective instability of the atmosphere Artificial modification of warm c1ouds Physica1 princip1es and techniques of fog dispersa CHAPТER 2. Reagents and hardware for intended modification of clouds and fog 2.1. Coolants and technical means for their introduction into c1ouds and fog Ice-forming reagents and tools based оn them Hygroscopic reagents and tools for c1oud seeding Powdered reagents and tools for their dispersal Aircraft used to conduct the operative-production operations on precipitation modification Measuring equipment mounted оn board а of the meteolab aircraft Тhe data transmission system "Earth-Board arth" Mobile control center to control aircraft operations on modification of clouds CHAPTER 3. Radio-physics methods to conduct weather modification activity 3.1. Passive radar techniques (infrared detection, microwave radiolocation, microwave radiometry) in weather modification Determination of water storage in the atmosphere and clouds Experimental research of water storage in the atmosphere and clouds 3.2. The passive-active radar method for determination of water content in the supercooled zones of convective clouds and precipitation intensity Passive-active radar systems Experimental research of water storage and water content of convective clouds Profile determination of water content in the clouds and precipitation intensity using the passive-active radar CHAPTER 4. Artificial precipitation enhancement (APE) over large areas Тhe Russian-Syrian APE project in Syria The Russian-Iranian APE project in Central Iran Pilot-production APE works in Yakutia The APE experiment in Portugal CHAPTER 5. Randomized experiment on seeding tropical convective clouds Description of the technical means and information-measuring system of the experiment Evaluation of cloud resources at the Camaguey experimental area (CEA) Characteristics of clouds and precipitation at the CEA based оn radar and radiometric observations

6 The results of studies of radar characteristics of convective clouds and precipitation аt the CEA The results of radar and radiometric sensing of convective clouds аt the CEA Evolution of the characteristics of convective clouds аt the CEA with their natural evolution and оn seeding with the ice-forming agent Evaluation of the results of the randomized experiment CHAPТER 6. Meteorological protection of cities bу means of weather modification 6.1. Соnсерt of meteorological protection of megalopolises Dispersal of stratiform clouds Initiation of premature precipitation Тhe method of overseeding of clouds The method of dynamic destruction of convective clouds Technical maintenance in meteorological protection Planning and organization of meteorological protection of megalopolises Results of meteorological protection activities in megalopolises Description of the evaluation method for the results of meteorological protection activities in megalopolises Results of meteorological protection activities in megalopolises..... CHAPTER 7. Dispersal of supercooled fog Supercooled fog dispersal technology Dispersal of cold fog оn the roads Automated system for supercooled fog dispersal оn the roads Numerical experiments оn the inf1uence of meteorological parameters оn the process of artificial dispersal of fog The block diagram of the automated system for control of artificial dispersal of fog The algorithm of operation of the automated control system оf terrestrial nitrogen generators Dispersal of supercooled fog аt airports The information needed to develop the layout of generators Some information оn the equipment of the airport of Almaty Technical means measurements of meteorological parameters and control of dispersal effects of supercooled fog Analysis of meteorological data оn days with fog Development of the layout of generators in the area of the airport of Almaty Results of pilot-production works CHAPTER 8. Assessment of effectiveness of weather modification Methods for assessing the results of artificial precipitation control The historical regression method and its modification for statistical evaluation of operational projects References

7 ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время большой интерес проявляется к активным воздействиям (АВ) на гидрометеорологические процессы. Это обусловлено происходящими пожарами, наводнениями, засухами, смерчами, туманами и другими опасными явлениями, особенно участившимися в последние годы. Относительно эффективности АВ единого мнения среди специалистов не существует: с одной стороны, полное отрицание, а с другой имеются прямо противоположные взгляды, вплоть до «объяснения» за счет этих работ происходящих природных катастроф. Это привело к появлению ряда групп «специалистов», предлагающих различные «нетрадиционные» методы и средства АВ на гидрометеорологические процессы, в частности на облака, осадки, туманы и электрические процессы в атмосфере. При написании монографии этот аспект проблемы АВ был немаловажным. Но основным мотивом были желание и необходимость проанализировать многолетние работы в России и за рубежом, благодаря которым определились ограничения и возможности методов модификации гидрометеорологических явлений (процессов). Настоящая монография является итогом многолетней работы авторов в области как разработки методов и средств активных воздействий на облака и туманы, так и радиофизических методов для их исследования и контроля АВ на них. В основном в монографии излагаются результаты оригинальных исследований. Авторы не затрагивают работы, связанные с АВ на облака с целью предотвращения градобитий и работы по регулированию электрической активности облаков. Эти вопросы широко освещены в работах российских и зарубежных авторов [3, 5, 9, 12, 84, 111, 175, 179, 247, 351]. В монографии широко представлены результаты многолетних научно-экспериментальных и опытно-производственных работ по модификации облаков, осадков и туманов в различных физикогеографических районах России и за рубежом. Эти работы направлены на решение целого ряда важных народно-хозяйственных задач. 7

8 Центральное место занимают работы, связанные с получением дополнительных водных ресурсов для обеспечения жизнедеятельности и сельского хозяйства Сирии, Ирана, Португалии, Кубы, а также отдельных районов РФ, в частности Якутии. Большой объем работ выполнен по созданию благоприятных погодных условий в период проведения праздничных и массовых мероприятий в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Ростове-на-Дону, а также за рубежом в Ташкенте (Узбекистан), в Пекине (Китай). Отдельный раздел монографии посвящен вопросам рассеивания переохлажденных туманов для обеспечения авиационного и автомобильного транспорта. Исследования выполнялись в Москве (Шереметьево), Алмате и Италии. Представлены методы оценки эффективности работ по АВ на облака с целью искусственного регулирования осадков. Приведенные в монографии результаты проведенных работ свидетельствуют о высокой эффективности разработанной российскими специалистами технологии модификации облаков, осадков и туманов методами АВ. Пользуясь имеющейся возможностью, авторы выражают искреннюю благодарность Г.П. Берюлеву, Ю.В. Мельничуку, Б.Г. Данеляну, Л.И. Красновской, В.В. Петрову, А.В. Колдаеву и Д.М. Караваеву, принимавшим непосредственное участие в теоретических и экспериментальных исследованиях, результаты которых нашли отражение в монографии, а также О.Я. Ушаковой за оказанную помощь при подготовке рукописи к изданию. Особо следует отметить большую роль Ю.А. Серегина и А.А. Черникова в организации и проведении международных и российских проектов по АВ. 8

9 ВВЕДЕНИЕ Проблема управления погодой является одной из важнейших задач современной науки и практической жизни. Одним из звеньев этой грандиозной проблемы является проблема искусственного воздействия на облака и туманы с целью увеличения или уменьшения осадков, рассеяния облачности и туманов. Первые сведения о попытках воздействия на облака с помощью хладореагентов относятся к 1891 г., когда в Америке Л. Гатманну [155] был выдан патент на «метод производства дождя». Метод заключался в быстром освобождении жидкой углекислоты из баллонов в облаке, что, по мнению автора, должно создавать сильное охлаждение и вызывать конденсационный рост облачных капель. Как было установлено позднее, в результате охлаждения части облачных капель и усиления конденсации на них могут образоваться лишь очень слабые осадки. Несмотря на это, появление патента свидетельствовало о понимании того факта, что «спусковым механизмом» для образования осадков может служить охлаждение локального объема облака. В 1904 г. в Мельбурнском университете был предложен способ воздействия на облака жидким воздухом с целью вызывания дождя [294]. Этот способ был опробован в естественных условиях А. Вегенером, однако вследствие несовершенства летных средств (низкого потолка полета самолета) жидкий воздух был выпущен ниже основания облака. В результате, как и следовало ожидать, никакого эффекта при воздействии не было получено. В Советском Союзе исследования по проблеме искусственных воздействий на облака и туманы были начаты в 1921 г. в Московском научно-мелиоративном институте, одна из научных тем которого была посвящена проблеме искусственного дождя. В гг. под руководством В.И. Виткевича были проведены лабораторные опыты по искусственному осаждению облаков с помощью заряженного песка. В 1931 г. в Москве был организован «Институт искусственного дождевания» с отделениями в Ленинграде (на базе которого был создан Ленинградский институт экспериментальной метеорологии, ЛИЭМ), в Одессе и Ашхабаде. В ЛИЭМе 9

10 В.Н. Оболенским и его учениками в период с 1932 по 1941 г. были проведены опыты по воздействию на облака и туманы с применением высокочастотных электрических зарядов, ионных потоков, заряженного и незаряженного кварцевого песка, пыли, радиоактивных руд, хлористого кальция и размельченного льда. В 1931 г. в Голландии А. Фераартом [364] было проведено четыре успешных опыта по воздействию на облака с помощью твердой углекислоты и обычного льда, охлажденного до температуры 70 о С, сбрасываемых с летящего на 200 м выше облака самолета. Опыты дали положительный результат. Во всех случаях засева из облаков наблюдался обильный дождь. Опыты А. Фераарта были скептически встречены современниками, вероятно, вследствие отсутствия у автора достаточно ясного физического объяснения наблюдавшегося эффекта. Так, А. Фераарт полагал, что образование дождя во время опытов происходило следующим образом: частицы углекислоты, проходя 200-метровый слой воздуха над облаком, получали за счет трения электрический заряд и давали начало микроскопическим капелькам жидкой углекислоты. Эти многочисленные мельчайшие частицы, попадая в облако, по мнению ученого, вызывали в облаке укрупнение капелек, которые и выпадали в виде дождя. То, что в его опытах был получен значительный эффект воздействия, в наше время при правильном понимании физики явлений сомнений не вызывает. Однако, дав неправильное объяснение действия твердой углекислоты в процессе воздействия на переохлажденные облака, А. Фераарт вызвал недоверие ученых, и первые его удачные опыты были сочтены случайным совпадением. Несмотря на предсказанные А. Фераартом широкие возможности искусственных воздействий на облака твердой углекислотой, эти опыты были незаслуженно забыты. Неудачи многих опытов в СССР, Германии по вызыванию дождя объяснялись недостаточным уровнем знаний по физике облаков и осадков, а также слабым развитием измерительной техники для получения сведений о метеорологических элементах в облаках. Несмотря на то, что в основе многих методов были правильные идеи, и авторы их уже догадывались, что роль «спускового механизма» для образования осадков из облаков может сыграть появ- 10

11 ление в них ледяных кристаллов, осуществление предлагаемых способов приводило к неудачам и усиливало скептицизм окружающих. Впервые идея о роли ледяных кристаллов в процессе образования осадков из переохлажденных облаков была четко сформулирована Т. Бержероном в 1933 г. [209]. Она была основана на известном из физики факте, что упругость насыщенных паров надо льдом меньше, чем над водой при одной и той же отрицательной температуре. Сформулированное Т. Бержероном положение явилось физической основой для современных методов искусственных воздействий на переохлажденные облака. Первые попытки осуществить искусственное изменение фазового состояния облаков на основе теории Т. Бержерона были предприняты в ЛИЭМе В.И. Оболенским и его учениками в гг. Опыты по воздействию на кучевые облака проводились с использованием в качестве реагента обычного размельченного льда. При этом в некоторых опытах наблюдалось рассеяние кучевых облаков, однако, в большинстве случаев существенных изменений в облаках не происходило. Это может быть объяснено малым количеством введенных центров кристаллизации. В США работы по изучению физики облаков и осадков, приведшие к открытию современного способа воздействия на переохлажденные облака, были начаты в исследовательской лаборатории «Дженерал-Электрик» под руководством И. Лэнгмюра и В. Шефера в 1944 г. В результате исследований, проведенных по Программе, известной под названием «Проект Циррус», были получены данные о механизме роста облачных частиц, об образовании ледяных кристаллов в переохлажденных облаках. В. Шефером в холодильной камере были проведены опыты по переохлаждению капель водяного тумана и испытаны льдообразующие свойства многих веществ. Во время одного из опытов он сделал попытку создать достаточно низкую температуру воздуха в камере с помощью твердой углекислоты. Соприкосновение гранул сухого льда, имеющего температуру 79 о С, с переохлажденным туманом вызвало быструю кристаллизацию последнего. Дальнейшие опыты в камере позволили установить, что действие твердой углекислоты объясняется глубоким охлаждением соприкасающегося с ней насыщенного водяным паром воздуха и образованием в нем силь- 11

12 ных пересыщений. Впоследствии И. И. Гайворонским было показано, что любые тела, охлажденные до достаточно низких температур, дают такой же эффект. В 1946 г. И. Лэнгмюром и В. Шефером был осуществлен первый эксперимент в естественных условиях по искусственному образованию кристаллов в переохлажденных облаках. В результате сброса 1,5 кг гранулированного сухого льда (твердой углекислоты) с самолета в переохлажденное слоисто-кучевое облако через 5 мин был отмечен эффект изменения фазового состояния облака в месте введения реагента облако превратилось в снежинки, которые опустились приблизительно на 600 м в сухой воздух под облако, после чего полностью испарились. Серия подобных опытов, проведенная в последующие месяцы, подтвердила полученные результаты. Эти опыты явились началом создания современного метода воздействия на переохлажденные облака и туманы с использованием хладореагентов. В первых работах для рассеяния облаков и туманов в качестве хладореагента использовалась только твердая углекислота. Существенным преимуществом этого реагента является дешевизна, простота использования, а также сравнительно высокий температурный порог эффективного действия (минус 2 3 о С). Основной недостаток углекислоты большая испаряемость. Даже при хранении в специальных контейнерах потери достигают % в сутки. Это ограничивает возможность использования углекислоты в районах, расположенных на значительном удалении от заводов по ее производству. Поэтому ученые в разных странах продолжили поиск других реагентов для образования ледяных кристаллов. В 1947 г. Б. Воннегат, сотрудник исследовательской лаборатории «Дженерал Электрик», в результате анализа кристаллической структуры встречающихся в природе веществ и их соединений, сделал предположение, что частицы йодистого серебра (AgI) должны быть очень эффективными ядрами льдообразования, поскольку AgI и лед характеризуются близостью параметров их кристаллических решеток. В процессе лабораторных экспериментов Б. Воннегат подтвердил, что кристаллы AgI действовали как льдообразующие ядра до температуры минус 3 о С [366]. За лабораторными испытаниями последовали опыты на переохлажденных об- 12

13 лаках с использованием генераторов, установленных на самолете. Результаты полностью повторили эксперимент В. Шефера с сухим льдом, при этом в слоях переохлажденных облаков образовывались разрывы, сквозь которые наблюдалось падение снежинок. Открытие Б. Воннегатом льдообразующих свойств частиц AgI сделало экономически реальным активные воздействия на облака. Возможность засева подходящих облаков с использованием наземных генераторов значительно снизило стоимость работ. Так эксплуатация наземного генератора в 1948 г. стоила всего 2 3 доллара в час, в то время как стоимость эксплуатации самолета составляла около 25 долларов в час. Учитывая это к 1950 г. фирмы по засеву облаков заключили контракты на обслуживание примерно 10 % сухопутной территории США. Таким образом, установление льдообразующих свойств твердой углекислоты и йодистого серебра послужили началом широкого развития исследований по проблеме активных воздействий на облака во многих странах и прежде всего в Советском Союзе. В Советском Союзе работы по проблеме искусственных воздействий на облака и туманы были продолжены после окончания Второй мировой войны в гг. в Главной геофизической обсерватории (ГГО) под руководством В.Я. Никандрова, П.А. Красикова, А.П. Чуваева и в Центральном институте прогнозов (ЦИП) под руководством В.В. Пиотровича. В 1948 г. такие работы начались в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) под руководством И.И. Гайворонского. Результаты выполненных за более чем 60-летний период исследований по искусственному регулированию осадков и рассеянию туманов, изложены в огромном количестве публикаций и представлены на многочисленных национальных и международных конференциях и симпозиумах. В предлагаемой монографии излагаются физические основы активных воздействий на облака и туманы, описываются технические средства и реагенты для засева облаков и туманов, рассматриваются вопросы использования дистанционных радиофизических методов в работах по АВ, описываются эксперименты и опытно-производственные проекты по искусственному регулированию осадков и рассеянию переохлажденных туманов в аэропортах и на автодорогах, а также методы и результаты физико-статистической оценки эффективности АВ. 13

14 14 Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЛАКА И ТУМАНЫ 1.1. Физические основы воздействия на облака Решение задач управления погодой сталкивается с целым рядом трудностей, связанных с необычайной сложностью и многообразием атмосферных процессов, а также с тем, что атмосферные процессы обладают такой огромной энергией, что прямые воздействия на них требуют недоступных человечеству в настоящее время затрат энергии. Академиком Е.К. Федоровым были сформулированы возможные пути воздействия на атмосферные процессы: «воздействие на метеорологические процессы должно происходить по принципу управления. Принцип управления природными процессами состоит в том, чтобы привести в движение в нужном направлении большое количество вещества и энергии. Само же управляющее воздействие должно при этом сопровождаться затратами вещества или энергии в количествах, на много порядков меньших. Следовательно, мы должны отыскивать в сложном комплексе атмосферных процессов связанные друг с другом явления, которые можно бы было применить в качестве каналов управления» [181]. На практике возможность такого управления с целью искусственной модификации облаков, осадков и туманов базируется на использовании существующей в атмосфере неустойчивости при развитии процессов облако-, осадко- и туманообразования, что позволяет изменять ход последних при сравнительно небольших затратах энергии. При этом среди разных видов неустойчивости наиболее важное значение для возможности локальной модификации облаков, осадков и туманов имеют: 1) коллоидальная неустойчивость, за счет которой происходит конденсационно-коагуляционный рост капель в облаке и выпадение дождя из теплых облаков; 2) термодинамическая (фазовая) неустойчивость коллоидной системы облаков и туманов, возникающая в переохлажденных облаках и туманах, содержащих переохлажденную воду; 3) конвективная (вертикальная) неустойчивость атмосферы. В неустойчи-

15 вых системах достаточно воздействовать малым импульсом, чтобы начался самопроизвольный процесс, развивающийся за счет внутренних механизмов [53, 85, 111, 133, 145, 192, 193]. Следует отметить, что принципиальная возможность и целесообразность модификации облаков и осадков вытекает из того факта, что лишь часть (во многих случаях небольшая) водосодержания облаков при естественных процессах реализуется в виде осадков [146, 193]. Так, в частности, Р. Брахам [216] констатирует, что при грозах только 19% сконденсированной в облаке влаги выпадает в виде дождя на землю. По данным П. Вукоффа [383], из конвективного облака выпадает на землю только 10 % общей массы содержащейся в нем жидкой воды, а из орографических облаков, сформировавшихся во влажном морском воздухе, естественным образом выпадает только 25 30% влаги. Р. Элиот [242] в результате теоретических оценок получил, что в виде осадков из облаков кучевых форм выпадает 50 70% заключенной в них влаги. П. Хоббс и Т. Матейка [262] в результате расчетов для трех полос осадков в теплом секторе внетропического циклона получили, что значения эффективности осадкообразования менялись от 45 до 90%. Таким образом, эффективность естественного осадкообразования в облаках различных типов может меняться от 10 до 90 %. Этот факт позволяет рассчитывать на возможность использования активных воздействий для уменьшения «непроизводительных» потерь облачной влаги и, тем самым, повышения эффективности осадкообразования. В атмосфере наблюдается развитие различных типов облаков, которые различаются по их вертикальному расположению относительно нулевой изотермы, по микроструктуре и динамическим характеристикам. Так, по вертикальному расположению облака разделяются на облака, расположенные ниже уровня нулевой изотермы (теплые облака); облака, внутри которых проходит нулевая изотерма (переохлажденные облака), и облака, полностью расположенные выше нулевой изотермы (холодные облака). При этом теплые облака состоят только из жидких капель (жидкокапельные облака), а переохлажденные и холодные облака могут состоять или из переохлажденных жидких капель (жидкокапельные обла- 15

16 ка), или кристаллов льда (ледяные облака), или же из смеси тех и других (смешанные облака). Образование и рост облачных частиц регулируются, во-первых, конденсацией и сублимацией водяного пара в атмосфере с образованием капелек воды и льдинок-снежинок, а также обратным процессом испарением, и, во-вторых, коагуляцией, т.е. слиянием облачных частиц при их сближении. В результате этих процессов возникшее облако может или исчезнуть, или развиться и перейти в облако, дающее осадки. Выше отмечалось, что в большей части естественных облаков образование частиц осадков происходит недостаточно эффективно, а поскольку облака представляют собой коллоидно-неравновесную систему, можно попробовать использовать механизмы конденсации, сублимации и коагуляции облачных частиц для регулирования процессов облако- и осадкообразования в зависимости от задач модификации метеообъектов. Принимая во внимание многообразие типов облачности и различия в процессах естественного осадкообразования, ниже будут рассмотрены различные подходы к модификации основных типов переохлажденных и теплых облаков слоистообразных (St, Sc), слоисто-дождевых (Ns) и конвективных (Сu и Cb), определяющих погодные условия, с использованием трех основных видов неустойчивости в атмосфере: термодинамической (фазовой), конвективной и коллоидальной Искусственная модификация переохлажденных облаков с использованием фазовой неустойчивости В основе современных научных представлений о физических процессах, приводящих к выпадению осадков из переохлажденных облаков, в настоящее время лежит теория, разработанная А. Вегенером [370], Т. Бержероном [209] и В. Финдайзеном [244]. Теория основана на известном из физики факте, что упругость насыщенных паров надо льдом меньше, чем над водой при одной и той же отрицательной температуре (см. табл. 1.1, в которой приведены отношения и разности значений упругости насыщенного водяного пара над водой (Р В ) и надо льдом (Р Л ) [145]). Как видно из таблицы, разность упругостей насыщения над водой и льдом достигает 16

17 максимума при 12 о С и при дальнейшем понижении температуры снова убывает. Таблица 1.1 Сравнение упругости насыщенного водяного пара над водой и льдом при разных температурах T, o C P В /Р Л 1,00 1,02 1,02 1,04 1,06 1,08 1,10 1,12 1,16 1,21 1,33 1,47 1,62 P В Р Л, 0 0,10 0,098 0,169 0,22 0,24 0,261 0,264 0,25 0,217 0,123 0,058 0,025 мб Вследствие разности упругости насыщения над водой и льдом ледяные кристаллы, находящиеся в переохлажденном облаке, оказываются в состоянии пересыщения, что способствует их росту. Запас водяного пара в пространстве, окружающем кристаллы, уменьшается, капли оказываются в состоянии недонасыщения и начинают испаряться. Возникает своеобразный механизм «перегонки» водяного пара с капель на кристаллы. В результате «перегонки» кристаллы быстро растут и по достижении размеров частиц осадков начинают опускаться под действием силы тяжести, продолжая расти в процессе своего падения за счет коагуляции. Опускаясь ниже нулевой изотермы, ледяные частицы начинают таять и выпадают на землю в виде дождя, снега, крупы или града. Процесс «перегонки» водяного пара в облаке продолжается до тех пор, пока все капли не испарятся или же пока все кристаллы не вырастут до размера частиц осадков и не выпадут из облака. Таким образом, сформулированные А. Вегенером Т. Бержероном В. Финдайзеном положения являются физической основой для современных методов активных воздействий на переохлажденные облака. Действительно, принимая во внимание, что в большинстве естественных облаков наблюдается недостаток природных ледяных облачных ядер (ЛОЯ), путем создания в переохлажденных облаках дополнительных кристаллов можно в зависимости от их количества 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 17

18 осадков, или перераспределить зоны выпадения осадков, их интенсивность и количество. При засеве облаков следует учитывать взаимодействие льдообразующих аэрозолей с облачной средой, влияющее как на микрофизические, так и на динамические процессы в облаках. В настоящее время существует две концепции засева облаков льдообразующими реагентами с целью их модификации: микрофизическая и динамическая. Микрофизическая (статическая) концепция засева заключается во введении ледяных ядер в небольших концентрациях в такие облака, эффективность осадкообразования в которых предполагается ограниченной из-за недостатка в них естественных ледяных ядер. При этом внесение реагента в облако приводит к изменению микрофизических характеристик облака (водность, концентрация и размер частиц) и не приводит к изменению динамики облака и его размеров. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод, что поскольку природные аэрозольные частицы становятся более активными по мере понижения температуры, объектом статического засева могут быть переохлажденные облака, вершины которых имеют температуру выше минус ºС [85, 160, 363]. При этом концентрация ледяных ядер для реализации статического засева находится в диапазоне частиц на 1 л [226, 301, 340, 384]. Возможность реализации статической концепции проверялась в целом ряде рандомизированных проектов по воздействию на конвективные облака, среди которых можно выделить эксперименты в США (рис. 1.1) на Высоких Равнинах «HIPLEX-1» [233, 304, 349], в Аризоне «Аризона I и II» [205], в Миссури «Проект Уайттоп» [235], в Австралии [8, 215, 329, 347, 348], в Израиле «Israeli-1», «Israeli-2» и «Israeli-3» [250, 251, 312], в Мексике «Некакса» [338], в Канаде проекты «Йеллоунайф» (северо-запад Канады) и «Зандер Бей» (провинция Онтарио) [271] и на юге Италии «Проект Пуглия» [293], а также в рандомизированных экспериментах по засеву льдообразующими реагентами орографических облаков в США (рис. 1.1) «Санта-Барбара» [259], «Озеро Пирамид» [352] и CENSARE [328] в Калифорнии, «Бриджер» в Монтане [355], «CLIMAX I», «CLIMAX II» [257, 305, 306] и CRBPP 18

19 в Колорадо [243], «Хемес» в Нью Мексико [276], проекты в штате Юта [354, 359] и в Австралии [329]. Рис Карта США, показывающая места проведения упомянутых в тексте рандомизированных экспериментов по засеву облаков: 1 эксперименты Аризонского университета («Аризона I и II»); 2 проект Бриджер; 3 Центральная Сьерра (CENSARE); 4 Клаймакс; 5 Южная Дакота («Клауд Катчер»); 6 проект в бассейне реки Колорадо (CRBPP); 7 Флагшток; 8 Высокие Равнины (HIPLEX-I); 9 Хемес; 10 Западный Техас; 11 проект в штате Юта; 12 пробный проект в Северной Дакоте (NDPP); 13 озеро «Пирамид»; 14 проект SCUD; 15 Санта-Барбара; 16 эксперименты во Флориде (FACE); 17 проект Stormfury; 18 проект службы погоды по образованию искусственных центров кристаллизации в облаке (AСN); 19 проект Уайттоп В СССР регулярные исследования по изучению эффективности осадкообразования фронтальных и внутримассовых облачных систем над равнинной территорией были выполнены УкрНИГМИ на специально созданном в центральной части степной зоны Украины Экспериментальном метеорологическом полигоне (ЭМП) [127, 128, 155]. Наряду с экспериментами на Украине, работы по искусственному увеличению осадков (ИУО) в СССР выполнялись в 80-е 90-е годы в Поволжье [106], на Северном Кавказе [101, 199] и в Средней Азии [109]. 19

20 Анализ результатов указанных выше экспериментов 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 мощности облака и температур на верхней и нижней границах, и диапазон изменения осадков может меняться от уменьшения на 60 % до увеличения на 200 %. Тем не менее, несмотря на неоднозначные оценки результатов экспериментов можно констатировать, что при правильном выборе объектов для воздействия и при правильном проведении засева можно получить дополнительно % осадков, а при благоприятных условиях до %, а также добиться их перераспределения, т.е. уменьшения осадков в одних местах и увеличения в других. При этом, как следует из Заявления ВМО о статусе активных воздействий [382], считается, что льдообразующий засев переохлажденных орографических облаков представляет собой наиболее перспективный с экономической точки зрения способ получения дополнительной воды в гористой местности. Динамическая концепция засева основана на предположении, что в результате введения в переохлажденную часть облака большого количества искусственных ядер кристаллизации ледяных зародышей происходит замерзание большей части находящейся в облаке воды и выделение большого количество скрытой теплоты кристаллизации. Результаты инструментальных измерений и теоретических расчетов показывают, что температура воздуха в зоне кристаллизации возрастает на 0,5 1 ºС [194, 296, 316], что приводит к увеличению плавучести, скорости восходящих потоков, и, как следствие, к росту вершины облака. Кроме того, усиление восходящих движений в переохлажденной части облака может повлиять на подоблачный слой, приводя к увеличению конвергенции и втекания водяного пара в облако через его основание, и тем самым к интенсификации процесса слияния облаков, образованию облачного кластера и существенному увеличению количества генерируемых осадков. Исследованиями установлено, что для стимулирования динамического роста облака необходимо внести в его переохлажденную часть не менее 100 л -1 ледяных ядер [344]. 20

21 На возможность реализации динамической концепции засева конвективных облаков указывают как результаты многочисленных экспериментов, выполненных в США (рис. 1.1) на восточном побережье (Проект «SCUD») [373], на северо-западном побережье (Проект «AСN») [260], над Карибским морем (Проект Stormfury ) [345], во Флориде (эксперименты Флорида, FACE-1 и FACE-2) [346, 375, 376], в Северной Дакоте (проект «NDPP») [239, 350] и Южной Дакоте (проект «Клауд Катчер») [238], в западном Техасе [274, 325], в Аризоне (Проект «Флагшток») [371], а так же на Кубе [42, 285], в Таиланде [378, 379] и на территории Европейской части СССР [106], Украины [55, 122], Армении (в бассейне оз. Севан) [56], Восточной Грузии (Иорский полигон ЗакНИИ) [167], так и результаты численного моделирования [315, 323]. Так в Проекте Stormfury рандомизированный засев конвективных облаков, выполнявшийся в соответствии с гипотезой динамического засева, приводил в среднем к росту облаков на 1,6 км (на 22 %) при статистическом уровне значимости 1 %. Во Флоридском эксперименте по воздействиям на конвективные облака (FACE), проводившемся в гг. также в соответствии с гипотезой динамического засева, было получено, что в результате засева облака вырастали на 1 2,5 км выше (при уровне значимости эффекта лучше 5 %) и дали осадков от 3 до 116 % больше по сравнению с незасеянными облаками. В пробном проекте в Северной Дакоте (NDPP) из засеянных конвективных облаков в гг. выпало осадков на 20 % и в гг. на 70 % больше, чем из незасеянных. В Техасском рандомизированном эксперименте рост засеянных облаков в среднем составил 0,7 км, при этом площадь засеянных облаков была на 43 % больше и они сливались почти в два раза чаще и в среднем имели время жизни на 16 минут больше по сравнению с незасеянными облаками. Как следствие этих изменений из засеянных облаков выпало на 130 % осадков больше, чем из незасеянных. В проводившемся на Кубе в гг. рандомизированном эксперименте по динамическому засеву изолированных конвективных облаков и облачных кластеров (описание и результаты эксперимента подробно обсуждаются в пятой главе монографии), было получено, что засеянные одиночные облака были на 0,7 км 21

22 (на 4 %), а облачные кластеры на 1,6 км (на 17 %) (уровень значимости эффекта 1 %) выше по сравнению с незасеянными. Аналогичные результаты были получены в гг. при проведении рандомизированного эксперимента на Пензенском метеополигоне. В результате динамического засева конвективных облаков последние были на 1,3 км выше и дали на 62% осадков больше по сравнению с контрольными облаками. В гг. на ЭПМ УкрНИГМИ были выполнены рандомизированные эксперименты по воздействию на кучево-дождевые облака с использованием самолетных генераторов и пиропатронов с йодистым серебром [55, 122]. В результате проведенных экспериментов было получено, что засев одноячейковых облаков на ЭМП приводил к 86 %-ному увеличению осадков при уровне значимости α = 1,3 %, а засев многоячейковых к 55 %-ному увеличению при α = 2,3 %. Результаты проведения рандомизированных экспериментов по воздействию на кучевые облака в бассейне оз. Севан ( гг.) путем отстрела пиропатронов с AgI [56] и на Иорском полигоне ЗакНИИ ( гг.) с использованием противоградовых ракет [167] показали, что засев облаков в бассейне оз. Севан сопровождался 89 %-ным увеличением осадков (α = 1 %), а на Иорском полигоне 30 %-ным увеличением. В. Хауэл и Тодд [265] проанализировали результаты проведѐнных в различных регионах земного шара 35 рандомизированных и 14 нерандомизированных многолетних экспериментов по воздействию льдообразующими реагентами на конвективные облака в зависимости от температуры на уровне верхних границ облаков. Среднее увеличение осадков при засеве конвективных облаков типа Cu cong, переходящих в Cb, по данным рассмотренных экспериментов составило 80 %, тогда как при засеве кучеводождевых облаков с температурой на уровне верхней границы ниже минус 30 ºС отмечалось уменьшение количества осадков в среднем на 24 %. Таким образом, результаты приведенных выше работ свидетельствуют о возможности модификации переохлажденных конвективных облаков путем их динамического засева в случае правильного выбора плана эксперимента, объекта для воздействий и 22

23 при правильном проведении засева (выборе типа и дозировки реагента, определении способа, места и времени для засева облачности). Следует также 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 Активные воздействия на облака с использованием конвективной неустойчивости атмосферы Известно, что конвективная неустойчивость атмосферы и возникающие при этом потоки играют определяющую роль в развитии облаков, и, в особенности, кучевых форм [111, 162, 192, 193]. Конвективные потоки не только переносят в верхние слои влагу, испаряющуюся с поверхности Земли, но и создают условия для конденсации этой влаги, когда поднимающийся воздух достаточно охлаждается. Таким образом, конвективные потоки создают первоначальные импульсы, необходимые для образования кучевых облаков и зон внедренной (затопленной) конвекции в слоистообразных фронтальных облачных полях. Дальнейшее развитие облаков также в значительной степени обусловлено конвективными потоками; проникая в облако через основание, они питают его влагой. Процессы конденсации сопровождаются выделением большого количества тепла. Это тепло в значительной своей части расходуется на увеличение скорости конвективных потоков, подъем которых в результате адиабатического охлаждения поднимающегося воздуха сопровождается конденсацией водяного пара. Таким образом, в конвективных облаках, представляющих собой влажнонеустойчивую среду, процессы конденсации практически происходят вдоль всей траектории движения конвективного потока, обуславливая интенсивное развитие облака по вертикали. Скорость роста облака в значительной степени определяется скоростью конвективных потоков в нем. Поэтому развитие внутримассовых облаков кучевых форм не может осуществляться без наличия в облаках интенсивных конвективных движений. Очевидно, что наличие нисходящих конвективных потоков в облаках должно сопровождаться явлениями, противоположными 23

24 указанным выше [67]. В опускающихся потоках за счет адиабатического нагревания воздуха будет происходить испарение капель. При этом расход тепла на испарение одновременно охлаждает эти потоки настолько, что они все время остаются холоднее окружающего воздуха. В результате конвективные потоки будут непрерывно опускаться, а их опускание сопровождаться испарением капель. Таким образом, в облаках будут развиваться процессы, способствующие «таянию» облака, причем интенсивность разрушения облаков, как и в случае их развития, будет определяться в основном скоростями нисходящих движений. Логично предположить, что искусственное создание нисходящих движений в облаках будет способствовать их разрушению. Следует отметить, однако, что нисходящие потоки внутри развившихся облаков естественным путем практически не образуются; вероятность возникновения над развивающимися облаками или в верхней их части достаточно интенсивных направленных вниз импульсов скорости мала. Возникновению нисходящих движений препятствуют термическая однородность и слабая турбулентность лежащего над облаками слоя воздуха, а также практическое отсутствие внутри развивающихся облаков компенсационных нисходящих течений, которые осуществляются преимущественно около облаков в существенно устойчивых слоях воздуха. Кроме того, вследствие значительно меньшей неустойчивости в верхней части облака по сравнению с нижней, (а иногда и отсутствию неустойчивости вообще) начальные импульсы, необходимые для развития нисходящих струй, должны быть более интенсивными, чем те, которые обусловливают возникновение восходящих потоков в нижней части облака. Поэтому интенсивные нисходящие потоки в облаках образуются главным образом в результате увлечения воздуха выпадающими ливневыми осадками в конечной стадии развития облака, когда рост его уже прекратился. Однако нисходящие движения в развивающихся конвективных облаках могут быть вызваны искусственно, например созданием внутри их мощных, направленных вниз импульсов скорости [67, 75, 253]. В этом случае, согласно ранее сказанному, в развивающемся облаке за счет энергии его неустойчивости разовьются интенсивные нисходящие потоки, которые не только не дадут об- 24

25 лаку развиваться далее, но могут привести к существенному его разрушению, а при некоторых условиях и к полному исчезновению. Динамический способ разрушения конвективных облаков как раз и заключается в искусственном создании в растущем облаке нисходящего воздушного потока, который компенсирует существующий в нем восходящий поток и тем самым приводит к замедлению и остановке роста облака. В предыдущем разделе обсуждались вопросы модификации переохлажденных конвективных облаков с использованием динамической концепции засева, реализуемой путем образования в переохлажденной части облака ледяных искусственных зародышей осадков. При этом происходит замерзание находящейся в облаке воды, выделение скрытой теплоты кристаллизации, что приводит к увеличению плавучести облачного объема, скорости восходящих потоков, и, как следствие, к росту вершины облака при наличии в атмосфере конвективной неустойчивости. Таким образом, можно путем засева конвективных облаков и слоистообразных фронтальных облаков, содержащих зоны внедренной конвекции, добиться роста облаков и увеличения выпадающих из них осадков за счет усиления конвекции. Ниже приведены результаты проведенных в ЦАО [31, 32, 73 75, 87, 192, 147, 253] и ИПГ [65 70, 254, 368] теоретических и экспериментальных исследований возможности и эффективности стимулирования и разрушения при различных условиях образования и развития конвективных облаков путем воздействия на них искусственно созданными струями. Известно, что образование внутримассовых облаков кучевых форм и их развитие до стадии дождевых существенно зависит от высоты, мощности и интенсивности задерживающих слоев, т.е. слоев с устойчивой стратификацией. Одним из необходимых условий искусственного стимулирования образования или развития кучевых облаков в условиях, когда естественным образом оно не может возникнуть или продолжать развиваться, является создание вертикального восходящего потока, способного пробить устойчивый задерживающий слой. В экспериментах, выполненных в Африке и во Франции, было получено, что при некоторых метеорологических условиях с по- 25

26 мощью создаваемых «метеотронами» вертикальных восходящих потоков нагретого воздуха можно добиться образования облаков, дающих слабые осадки [240]. В ИПГ для создания искусственных вертикальных струй использовались газотурбинные самолетные двигатели, в которых при сгорании горючего одновременно с нагреванием воздуха создавалась струя с большой начальной скоростью. Результаты проведенных в 1966 г. в Риге и в 1967 г. в Борисполе опытов показали, что создание восходящих вертикальных струй при помощи четырех турбореактивных двигателей в условиях сухого воздуха, больших скоростей ветра и наличия в атмосфере мощных задерживающих слоев может привести в лучшем случае к образованию кучевых облаков хорошей погоды Cu fr, Cu hum. Развитие мощных облаков можно ожидать только в достаточно влажном воздухе при наличии больших значений энергии неустойчивости атмосферы и отсутствии интенсивных задерживающих слоев. В этих случаях искусственно созданная восходящая струя способствует более быстрому развитию облаков, чем в случае естественных условий. Таким образом, результаты проведенных в разных странах исследований по стимулированию образования и развития конвективных облаков позволяют заключить, что хоть и можно в некоторых метеорологических условиях получать облака и слабые осадки с помощью искусственно созданных восходящих струй, использование такого подхода экономически неэффективно. Рассмотрим результаты исследований возможности и эффективности разрушения конвективных облаков путем воздействия на них искусственно созданными нисходящими струями. В настоящее время известно, по крайней мере, два способа искусственного инициирования внутриоблачных нисходящих движений (струй): 1) путем сброса в облако грубодисперсных порошков (чаще всего цемента); 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. Для создания нисходящего потока в экспериментах, выполненных ЦАО с 1956 по 1982 г., в растущие вершины конвективных облаков высотой от 5 до 12 км с самолета сбрасывалась от 10 до 26

27 100 кг грубодисперсного и высокодисперсного порошкообразного реагента гидрофильный и гидрофобный цемент (последний после соответствующей обработки олеиновой кислотой практически терял способность коагуляции с облачными каплями), белая глина, кварцевый песок, мел, ультрамарин, окись меди и др. На основании наблюдений за изменениями, происходящими в облаке в результате воздействия, механизм действия порошкообразных реагентов на процесс распада конвективных облаков, можно представить следующим образом. При введении грубодисперсного аэрозоля нерастворимых веществ в неустойчиво стратифицированное облако, помимо создания направленного вниз импульса скорости, создаются благоприятные условия для развития гравитационной коагуляции. Взаимодействие частиц реагента с облачными элементами сопровождается образованием значительного числа крупных частиц (в 10 кг реагента содержится частиц с размерами от 5 до 80 мкм). Более тяжелые капли, содержащие частицы реагента, приобретают дополнительную скорость и при падении, вследствие гравитационной коагуляции, укрупняются. Вместе с каплями в этом объеме в нисходящее движение вовлекается и некоторая часть воздуха с более низкой температурой, чем поступающая снизу, что будет способствовать ослаблению восходящего потока в облаке. При изменении скорости вертикального потока в нисходящее движение будут вовлекаться также и те капли, которые были уравновешены при большей скорости потока. Это в свою очередь вызовет новое ослабление восходящих вертикальных движений и вовлечение еще большего количества капель в нисходящий поток. Такой цепной процесс должен привести к существенному ослаблению вертикальных потоков в облаке, что будет способствовать его рассеянию. В ходе выполненных в ЦАО экспериментальных исследований, в том числе в результате проведения рандомизированного эксперимента [102] было установлено, что: 1) введение порошков нерастворимых веществ в облако не сопровождается фазовыми превращениями облачных капель, и действие грубодисперсных аэрозолей на конвективные облака носит динамический характер, т.е. происходит развитие нисходящей струи во влажно неустойчивой атмосфере путем вовлечения воздуха облаком частиц грубо- 27

28 дисперсного 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. Аналогичные результаты были получены в экспериментах по воздействию на конвективные облака, проводившихся ИПГ в различных районах СССР в течение летних периодов в гг. При проведении воздействий направленные вниз импульсы в интенсивно развивающихся конвективных облаках мощностью от 1000 до 6000 м создавались: 1) во время горизонтальных пересечений облаков самолетом Ил-14 за счет силы, противодействующей подъемной силе крыла самолета; 2) струей газов от двигателя реактивного самолета при кабрировании в облаке на больших углах тангажа; 3) путем сброса в облако кг различных мелкодисперсных порошков (цемента или талька); Следует отметить, что принципиальная возможность первых двух подходов впервые была высказана С.М. Шметером [53]. Эксперименты показали, что эффективность воздействия зависит от способа инициирования нисходящих движений в облаках. Так при использовании для этой цели самолета Ил-14, мелкодисперсных порошков и реактивного самолета эффективность воздействия соответственно составила 73, 82 и 100%. Эффективность разрушения конвективных облаков также менялась в зависимости от условий развития облачности. При воздействии на облака путем сброса упаковок с порошком эффективность составила 92 % для случаев воздействий на конвективные облака внутримассового развития, 82 % для случаев воздействий на облака, обусловленные термической конвекцией вблизи фронтальных зон, и 58 % для случаев при воздействии на фронтальные конвективные облака [69]. 28

29 Следует отметить, что эффективность воздействия зависит от степени неустойчивости атмосферы в слое, в котором развивались облака. Так при устойчивой стратификации атмосферы облака не разрушаются при любом способе инициирования нисходящих струй, что согласуется с физическими представлениями о механизме воздействия. Однако при наличии даже небольшой неустойчивости (до 50 Дж/кг км) эффективность разрушения конвективных облаков нисходящими струями достаточно велика (около 75 %) и при неустойчивости более 100 Дж/кг км количество разрушенных облаков достигает 100 %. Теоретическое моделирование засева конвективных облаков готовыми центрами коагуляции (например, каплями воды или гигроскопическим грубодисперсным аэрозолем) [4, 99] показало, что такой засев может обеспечить быстрое осадкообразование. Введение в Cu Cong кг грубодисперсного аэрозоля обеспечивает вымывание облачной воды за 2 5 мин, и стимулирует выпадение осадков в раз больше массы вносимого аэрозоля. Это может способствовать подавлению восходящих потоков и привести к быстрому разрушению конвективных облаков. Эффект такого воздействия повышается по мере увеличения общей массы вводимых центров коагуляции. Оптимальным является засев центрами коагуляции размером мкм на высоте 2 3 км над уровнем основания Cu Cong. Таким образом, приведенные выше результаты теоретических и экспериментальных исследований свидетельствуют о высокой эффективности использования искусственно созданных нисходящих струй для разрушения как теплых, так и переохлажденных мощных кучевых, кучево-дождевых и грозовых облаков большой вертикальной мощности, что находится в полном соответствии с физическими представлениями о механизме воздействия Искусственная модификация теплых облаков В п были рассмотрены вопросы модификации переохлажденных облаков, которые, как известно, дают основной вклад в осадки, выпадающие в средних и высоких широтах [160]. Вместе с тем, в низких, а летом и в средних широтах осадки (и достаточно интенсивные) выпадают из «теплых» (в первую очередь, 29

30 конвективных) облаков. Так, М.А. Химач и Н.С. Шишкин [185] указывают на выпадение осадков из чисто водяных облаков в районе Ленинграда, Т. Бержерон [41] над Северным морем, Джонес [272] над Англией и т.п. Принимая во внимание, что образование частиц осадков в большей части естественно развивающихся теплых конвективных облаков небольшой вертикальной мощности в Cu hum, Cu med и Cu cong происходит также малоинтенсивно, как и в переохлажденных конвективных облаках (за исключением такой их разновидности, как кучево-дождевые, Cb), с самого начала активных воздействий естественно возникла задача искусственной стимуляции процессов осадкообразования в «теплых» облаках, в первую очередь, с целью получения дополнительных осадков. Для АВ на «теплые» облака в основном используется два метода: 1) введение зародышей осадков в облако путем распыления крупных (размером более мкм) капель воды; 2) засев облаков «гигроскопическими» веществами в виде сухих частиц или капелек гигроскопических растворов, или частиц, получаемых в результате сжигания гигроскопических пиросоставов. Использование первого метода базируется на том, что в естественно развивающихся теплых конвективных, даже очень мощных облаках образование частиц осадков происходит мало интенсивно и возможность искусственной стимуляции роста крупных (дождевых) капель может происходить только в случаях искусственной "помощи" такому процессу посредством засева облака частицами воды и (или) гигроскопических аэрозолей. Такая форма искусственного вмешательства в жизнь облака сопровождается расширением спектра размеров облачных частиц, что стимулирует дальнейший рост последних благодаря процессу Стоксовой коагуляции, а также искусственному разбрызгиванию наиболее крупных капель и образованию таким образом дополнительных зародышей дождевых капель (так называемый процесс Лэнгмюра). Крупные капли, обладая большими, чем облачные, скоростями падения, сравнительно быстро опускаются внутри облака, коагулируя при этом с более мелкими облачными каплями и укрупняясь при этом (так называемая Стоксова коагуляция). В крупных Cu cong "новые" капли иногда дорастают до размеров r 2,5 3,0 мм и, следовательно, могут дробиться внутри облака. Образовавшиеся 30

31 при этом частицы восходящими вертикальными потоками могут подниматься в верхнюю часть облака, а здесь снова вырасти в процессе выпадения на более низкие уровни и т.д. Возникает "цепной" процесс, благодаря которому распыление воды приводит к усилению осадкообразования. Заметим также, что введение "водяного реагента" в верхнюю (смешанную) часть Cu cong может сопровождаться и образованием новых ледяных частиц в результате коагуляции водяных частиц с уже имеющимися внутри облака ледяными кристаллами. Этот вторичный процесс может резко интенсифицировать осадкообразование. Согласно расчетам, при удачном подборе вводимых в облако капель, количество выпавших осадков может в 10 6 раз быть большим, чем количество введенной при засеве воды [71]. Следует отметить, что несмотря на положительные результаты, зафиксированные при засеве теплых облаков каплями воды [214, 218, 232], использование этого метода увеличения осадков в настоящее время экономически невыгодно, т.к. требует введения внутрь облака большого количества воды. Как отмечалось выше, наряду с распылением крупных капель воды для АВ на теплые облака используются гигроскопические вещества. Согласно закону Рауля [186], упругость насыщающего водяного пара над гигроскопическими частицами меньше, чем над водой, вследствие чего последние бурно поглощают окружающий водяной пар, понижая относительную влажность внутри облака 1. Если последняя становится меньше 100 % над водой, находящиеся вблизи облачные капли начинают испаряться, а образовавшийся из-за этого водяной пар пере-конденсироваться на частицы реагента, в результате чего последние растут и превращаются в частицы осадков. На рис. 1.2 [53] иллюстрируется скорость роста капель насыщенного раствора NaCl, имеющих разные начальные размеры 3 V r ( n отношение объема капли в момент t к его начальной 3 V0 r0 величине). 1 Относительное понижение упругости пара над растворами различных гигроскопических веществ, применяемых в работах по АВ на теплые облака, зависят от химического состава реагента, но слабо связано с температурой воздуха [142]. 31

32 32 Рис Рост капель раствора NaCl при различных начальных радиусах Приведенные на рис. 1.2 кривые показывают, что рост капель раствора идет чрезвычайно быстро (особенно в начале этого процесса). Так, например, капли с начальным радиусом r см 4 увеличиваются в 50 раз за 4 мин. В дальнейшем капли, образовавшиеся на гигроскопических частицах, могут вырасти до размера частиц осадков, причем, будучи более крупными, чем облачные и имея из-за этого большие скорости оседания они, благодаря коагуляции, растут особенно интенсивно. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что основными факторами, от которых зависит степень эффективности АВ гигроскопическими веществами, являются: размеры, микрофизические и термодинамические параметры облака, химический состав, степень дисперсности и концентрация используемого реагента, методика и технические средства введения последнего внутрь облака. Существенную роль в эффективности гигроскопического засева играют также особенности полей ветра и турбулентности в облаке, поскольку ими во многом определяются локализация и ширина зоны засева на различных высотах внутри объекта АВ.

33 Хотя пока еще нет надежных оценок требуемой для засева концентрации гигроскопических аэрозолей, можно предположить, что при завышении последней по сравнению с оптимальной не исключен своеобразный эффект "перезасева" облака (см. [193]), сопровождающийся не ростом, а уменьшением интенсивности естественных осадков. Проверка воздействий на теплые облака «гигроскопическими» веществами была проведена в конце прошлого столетия в четырех крупных проектах: рандомизированные эксперименты в Индии ( гг.) [308] и Таиланде ( гг.) [341, 343] по засеву конвективных облаков крупными гигроскопическими частицами хлористого кальция CaCl 2, и рандомизированные эксперименты в Южно-Африканской Республике ( гг.) [213, 300, 342] и Мексике ( гг.) [221, 222] по засеву кучевых и кучеводождевых облаков гигроскопическими частицами малых размеров 0,2 0,6 мкм. Результаты статистического анализа данных эксперимента в Индии показали, что на территории с воздействиями (площадь 1600 км 2 ) количество осадков было на 24 % больше, чем на контрольной территории, при уровне значимости эффекта α = 4 %. В Таиланде засев облаков привел к увеличению осадков за время «жизни» облака на 109 % (α = 2 %). Анализ экспериментальных данных, полученных в южно-африканском эксперименте, показал статистически значимое (α = 5 %) увеличение количества осадков на 59 % через 60 мин после начала воздействий. Эксперимент в Мексике, проводившийся по такой же методике, как и эксперимент в ЮАР, дал похожие на южно-африканские результаты, несмотря на большую географическую удаленность территорий проектов. Таким образом, 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. При этом следует отметить, что степень усиления осадков зависит от характеристик засеваемого облака, в частности, его термодинами- 33

34 ческих параметров, спектра размеров и концентрации естественных и инжектируемых частиц, от мощности облака. Так, дополнительные осадки могут быть получены при воздействии гигроскопическими частицами с размером 1 1,5 мкм на облака мощностью более 2,5 3 км, а при вертикальной толщине облака меньше 2 км эффективность воздействий практически отсутствует [95, 96, 163]. Большое влияние на эффективность АВ оказывает методика засева, т.е. правильный выбор времени и продолжительности («временного окна»), а также места воздействий. Так, более позднее введение реагента в облако может оказаться неэффективным. А засев вершины облака менее перспективен по сравнению с засевом вблизи основания из-за происходящей в верхней части облака дивергенции засеваемых частиц. Важно также отметить, что, несмотря на статистически значимые результаты, полученные в южно-африканском и мексиканском проектах, остается открытым вопрос об их физическом обосновании. Более того физические представления о процессах облако- и осадкообразования, а также результаты лабораторных экспериментов [324] и численного моделирования [61, 62, 334] свидетельствуют о том, что наиболее эффективными при гигроскопическом засеве являются частицы диаметром более 2 5 мкм. Частицы диаметром менее 1 мкм должны оказывать негативное влияние на развитие осадков, что противоречит гипотезе воздействий мелкими гигроскопическими частицами. В связи с наблюдающимися противоречиями, требуется проведение дополнительных как теоретических, так и экспериментальных исследований очень заманчивой возможности модификации облаков путем их засева небольшим количеством гигроскопического аэрозоля Физические основы и методы рассеивания туманов Среди метеорологических явлений, негативно влияющих на работу воздушного, морского, железнодорожного и автомобильного транспорта одно из первых мест занимают туманы. Так, в большинстве случаев туманы являются причиной нарушения регулярности авиарейсов. Из-за туманов происходит значительное число аварий на автострадах, сопровождающихся человеческими жертвами. В связи с этим на протяжении уже более 60 лет как у 34

35 нас в стране, так и за рубежом ученые и специалисты активно занимались исследованиями, направленными на разработку методов и технических средств искусственного рассеяния тумана или предотвращения его образования [85, 111, 145, 228]. Согласно физическому определению, туман представляет собой дисперсную среду, состоящую из взвешенных капелек воды и ледяных частиц. Насыщение водяного пара, необходимое для образования тумана, обуславливается, как известно, двумя причинами: либо благодаря понижению температуры, либо вследствие увеличения водозапасов воздуха. В связи с этим туманы делятся на два класса: туманы охлаждения и туманы испарения. Необходимое для образования тумана охлаждение может являться следствием излучения тепла подстилающей поверхностью (радиационные туманы), или следствием появления значительных температурных контрастов между подстилающей поверхностью и натекающим воздухом (адвективные туманы). Кроме классификации по процессу образования туманы разделяются по их характеристикам. Так, в частности, по микроструктурным и температурным характеристикам туманы разделяются на жидко-капельные (теплые), смешанные (переохлажденные) и чисто кристаллические, а по интенсивности туманы обычно разделяются на слабые с видимостью м, умеренные с видимостью м и сильные с видимостью менее 100 м [125]. Методы активного воздействия на туманы с целью увеличения дальности видимости основываются, как и в случае воздействия на облака, на усилении естественных процессов, приводящих к ослаблению и рассеянию туманов [85, 111, 145, 228]. Как известно, видимость в тумане изменяется обратно пропорционально сумме поперечных сечений рассеяния света частицами тумана. Из этого следует, что дальность видимости в тумане может быть улучшена путем уменьшения числа частиц, их размера или того и другого одновременно. Таким образом, известные к настоящему времени методы рассеяния можно разделить на две группы: методы, основанные на удалении частиц и из тумана, и методы, приводящие к испарению частиц тумана [372]. Первую группу составляют методы, интенсифицирующие коагуляцию или осаждение капель: к ним относятся метод продувки 35

36 воздуха через экран, электрические [183], электростатические [356] и акустические [132] методы, с помощью которых капли осаждаются на экране из мелкоячеистой сетки или электродах, либо после укрупнения выпадают на землю. К этой группе также относятся методы, которые ускоряют конденсационные процессы, вызывая перегонку влаги с капель на частицы реагентов или содержащих реагент. В качестве реагентов могут использоваться ледяные кристаллы [145], кристаллизующие вещества [172], гигроскопические порошки и гигроскопические растворы [339, 289], крупные капли воды, а также поверхностно-активные вещества [54]. Наиболее успешно этот метод применяется для рассеяния переохлажденных туманов с помощью ледяных частиц или кристаллизующих реагентов. Во вторую группу входят методы улучшения видимости, направленные на испарение частиц тумана за счет уменьшения относительной влажности окружающего частицы тумана воздуха. Это достигается либо нагревом среды тумана, либо перемешиванием чистого сухого воздуха над туманом со слоем тумана. Последнее может достигаться путем создания нисходящего потока воздуха с помощью вертолета [321]. Для повышения температуры воздуха в слое тумана могут использоваться искусственные источники тепла, в качестве которых могут применяться специальные горелки [290], реактивные двигатели [331] или термокинетические системы [14]. Рассеяние тумана может быть достигнуто также изменением теплового баланса путем введения поглощающих радиацию частиц [258] или прогревом тумана монохроматическим излучением мощных лазеров [333]. Многие из перечисленных выше методов разрабатывались теоретически, некоторые прошли экспериментальную проверку. И лишь немногие нашли практическое применение. К последним относятся метод рассеяния переохлажденных туманов с помощью хладореагентов и тепловой метод рассеяния теплых туманов с использованием искусственных источников тепла. В основе метода рассеяния переохлажденного тумана с помощью хладореагентов лежит использование фазовой неустойчивости его состояния по отношению к фазовому переходу вода лед, которая связана с существованием разности давлений насыщения 36

37 водяного пара над водой и надо льдом. Как отмечалось в разделе 1.1.1, вследствие структурных особенностей льда и воды при отрицательной температуре давление насыщенного водяного пара над водой больше, чем надо льдом. По этой причине введенные в переохлажденный туман искусственные частицы льда окажутся в условиях пересыщения и будут расти за счет поглощения водяного пара из окружающего пространства. При этом жидкие капли, оказавшись в условиях недонасыщения, начнут испаряться. В результате такого процесса «перегонки» водяного пара с капель на кристаллы, последние быстро растут и выпадают на землю в виде частиц осадков, что приводит к увеличению видимости в тумане. Однако, если в переохлажденный туман вводится слишком много ледяных кристаллов, то процесс заканчивается полной кристаллизацией тумана, и, как следствие, уменьшением дальности видимости. К настоящему времени разработаны и прошли испытания различные способы создания в переохлажденном тумане необходимого количества ледяных кристаллов. Так в США [228], Франции [335, 353], Гренландии [261], Норвегии [203], Германии [307] для рассеяния переохлажденных туманов применяется жидкий пропан и жидкая углекислота. Российская технология искусственного рассеяния переохлажденных туманов основана на использовании в качестве реагента жидкого азота (азотная технология). Более подробно эта технология и результаты ее использования для рассеяния переохлажденных туманов в аэропортах и на автодорогах будут рассмотрены в 7-й главе монографии. В отличие от переохлажденных туманов, теплые туманы, образующиеся при положительной температуре, являются термически стабильными метеообразованиями, требующими затрат энергии для их рассеяния. Как отмечено выше, среди предложенных для рассеяния теплых туманов методов наиболее перспективными являются способы, связанные с нагревом тумана. Первые тепловые системы для рассеяния теплых туманов с использованием горелок, в которых сжигалось авиационное топливо (система FIDO [290]), были применены в Англии во время Второй мировой войны. В 1970 г. в аэропорту Орли в Париже, а в 1972 в аэропорту имени Шарля де Голля были установлены оперативные системы «Турбоклер» [331], использующие для рассеяния теплых туманов 37

38 реактивные двигатели, установленные с наветренной стороны от взлетно-посадочной полосы. Система обеспечивала при скорости струи на выходе двигателей 500 м/с и температуре о С появление раскрытой от тумана зоны протяженностью м и высотой 40 м. Несмотря на положительные результаты, полученные в результате эксплуатации системы «Турбоклер», широкого распространения эта система и ей подобные не получили из-за больших затрат на их установку и больших эксплутационных расходов. В конце 90-х годов в ЦАО совместно с ЦИАМ и итальянской компанией «Аутовие Венете» были возобновлены исследования по созданию более экономичных и эффективных термокинетических систем для рассеяния теплых туманов в аэропортах и на автодорогах. В связи с тем, что натурные эксперименты по рассеянию туманов с помощью нагретых струй очень дороги, на первом этапе работ для разработки технических требований к системам рассеяния туманов и методики их применения была разработана трехмерная нестационарная численная модель процесса воздействия на теплый туман струями нагретого воздуха [14]. С помощью разработанной модели были проведены исследования связи между теплотворной способностью нагревательного источника, параметрами струй и характеристиками зоны рассеяния. На рис. 1.3 в качестве иллюстрации результатов расчетов приведены геометрические характеристики зон рассеяния тумана в вертикальном сечении, полученные при значениях начальной скорости потока в струе 5, 10 и 20 м/с и начальной избыточной температуре 5, 10 и 15 о С [14]. Анализ результатов численных экспериментов, выполненных для различных значений скорости истечения струи и ее избыточной температуры, а также при использовании нескольких генераторов, работающих в параллельном режиме и навстречу друг другу, показал, что струя нагретого воздуха с начальным сечением 2 2 м 2 способна улучшить видимость в тумане с 50 до 200 м в объеме, сечением м 2 и длиной более 200 м. Как видно из рис. 1.3, форма и размер зоны искусственного рассеяния значительно сильнее зависят от начальной скорости, чем от температуры. При этом при повышении температуры наблюдается отрыв струи от земной поверхности из-за увеличения 38

39 Рис Вертикальный разрез зон искусственного рассеяния тумана при разной начальной скорости потока в струе и температуре нагрева струи в отсутствие ветра Нагрев струи на 15 о С Скорость струи, м/с Нагрев струи на 5 о С Нагрев струи на 10 о С

40 силы плавучести. Результаты расчетов позволяют также сделать вывод, что в системах рассеяния тумана, использующих реактивные двигатели, скорости потока на выходе струи и степень перегрева воздуха в струе являются сильно завышенными, и можно добиться эффекта рассеяния тумана с использованием генераторов, создающих более чем на порядок величины меньшую скорость потока и в 50 раз меньший перегрев [14]. Это позволяет надеяться, что можно разработать сравнительно недорогие стационарные и мобильные термокинетические системы для рассеяния теплых туманов. Таким образом, в первой главе были изложены физические основы активных воздействий на облака разных типов и туманы с использованием термической (фазовой), конвективной и коллоидальной неустойчивости в атмосфере. 40

41 Глава 2. РЕАГЕНТЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЛАКА И ТУМАНЫ Реализация рассмотренных выше методов АВ с целью искусственного регулирования осадков (ИРО) и рассеивания переохлажденных туманов осуществляется посредством технологий, принятых Росгидрометом в виде соответствующих руководящих документов: технологии искусственного увеличения атмосферных осадков, технологии искусственного подавления развития конвективных облаков, технологии искусственного регулирования погодных условий и технологии рассеяния переохлажденных туманов на автодорогах и в аэропортах [164, ]. Ниже приведены краткие сведения о реагентах и технических средствах активного воздействия применяемых в этих технологиях Хладореагенты и технические средства для их внесения в облака и туманы Как отмечено ранее для модификации переохлажденных облаков и выпадающих из них осадков необходимо внести в переохлажденную часть облака ледяные частицы. В настоящее время известно большое количество веществ и химических соединений, которые можно применять (и некоторые из них применяются) для воздействия на переохлажденную облачность. По своему льдообразующему действию их можно разделить на два класса: хладореагенты, формирующие ледяные кристаллы по гомогенному механизму, и льдообразующие реагенты, аэрозольные частицы которых служат гетерогенными центрами кристаллизации при попадании таких частиц в переохлажденную зону облака. Льдообразующая эффективность хладореагентов достаточно хорошо изучена как в лабораторных, так и натурных условиях [22, 169, 291, 292, 332]. Наиболее эффективными из них являются твердая углекислота и жидкий азот, которые нашли широкое применение в практике активных воздействий. Для этих хладореагентов определена максимальная эффективность (максимальный выход ледяных кристаллов), разработаны самолетные и наземные 41

42 технические средства для их введения в переохлажденную облачность. Углекислота СО 2 является одним из первых хладореагентов, использованным в активных воздействиях на облака и туманы. В облачной среде углекислота, имея температуру испарения минус 78,9 С, создает сильное охлаждение в результате чего за счет пересыщения водяного пара происходит самопроизвольное образование мелких кристалликов льда. За время испарения 1 г твердой углекислоты генерирует ледяных частиц. При этом максимальная температура облачной среды, при которой еще образуется близкое к вышеуказаному количество ледяных частиц (температурный порог активности твердой углекислоты), равна 3 4 С. Засев облаков углекислотой может осуществляться путем сброса в облако с самолета небольших кусочков (либо гранул) сухого льда или диспергированием в облако мелких зерен СО 2, образующихся при выпуске струи жидкой углекислоты из баллонов непосредственно в воздух. Наибольшее распространение в практике АВ получил метод засева переохлажденных облаков гранулированной твердой углекислотой. Основное его преимущество заключается в том, что сброс гранул осуществляется при пролете самолета над верхней границей облака, и тем самым отсутствует опасность обледенения самолета. Кроме того, путем выбора размеров гранул и дозировки реагента можно обеспечить эффективный засев всей толщи облака. Дробление брикетов углекислоты может производиться на земле при подготовке самолета к вылету, либо непосредственно на борту самолета с помощью специальных устройств типа применявшейся ранее автоматической дозирующей установки АДГ-1. Следует отметить, что дробленая углекислота широко использовалась тогда, когда производство гранулированной ещѐ было ограничено, однако с распространением гранулированной углекислоты брикеты практически перестали использоваться в работах по активному воздействию на облака и туманы в связи с неоднородностью спектра продуктов дробления и значительными отходами при дроблении. В настоящее время твердая углекислота используется в основном в виде гранул диаметром 8 10 мм и длиной мм. 42

43 Засев облаков твердой углекислотой выполняется с помощью специальных бункерных или шнековых устройств, или специальных дозирующих установок (например, самолетной дозирующей установки СДУ, разработанной для самолета-метеолаборатории ЦАО Ан-26 «Циклон») через предусмотренные для этого отверстия в виде шахт в корпусе самолета (рис. 2.1). Для хранения гранулированной углекислоты используются специальные легкие сборно-разборные термоизолированные контейнеры с поддонами, позволяющие хранить углекислоту и на земле, и на борту самолета в течение нескольких дней (рис. 2.2). а Рис Устройство для сброса гранул твердой углекислоты. а устройство для выброса твердой углекислоты с самолета Ан-30; б устройство для выброса твердой углекислоты (внизу) После окончания Второй мировой войны были начаты исследования искусственного рассеяния переохлажденных низких облаков и туманов над аэродромами под руководством И.И. Гайворонского (ЦАО). К 1954 г. в результате лабораторных исследований и полевых экспериментов была создана самолетная методика рассеяния переохлажденных облаков и туманов с использованием сухого льда и были проведены многочисленные опыты по ее проверке в различных регионах страны и в широком диапазоне метеоусловий [71]. б 43

44 После успешного проведения опытов в гг. в ЦАО были выполнены работы по созданию и опытной проверке наземных углекислотных установок, показавшие высокую эффективность их использования для рассеяния переохлажденных низких облаков и туманов в аэропортах [72, 76, 78, 172]. Таким образом, выполненные до 1964 г. исследования создали объективные предпосылки для более широкого развития работ по рассеянию переохлажденных облаков и туманов с помощью различных хладореагентов. 44 а Рис Разборный изотермический контейнер (а) с поддоном (б) В результате исследований различных хладореагентов было установлено (рис. 2.3), что в качестве альтернативы твердой углекислоте, имеющей температурный порог эффективного рассеяния 3 о С, с успехом может использоваться жидкий пропан [126] и жидкий азот, температурный порог действия которого в естественных условиях соответствует 0,5 о С. Следует отметить, что работы с использованием жидкого пропана впервые были начаты во Франции и США, где в ряде полевых опытов было показано, что с помощью жидкого пропана эффективное рассеяние тумана может быть получено даже при температурах несколько выше 0 о С, когда обычные реагенты оказываются неэффективными [126, 256, 362]. После проведения лабораторных исследований была создана наземная стационарная пропановая установка с дистанционным управлением, обеспечивающая расход реагента от 9 до 27 кг/ч, и б

45 в гг. были проведены ее натурные испытания в аэропорту г. Кишинева, которые показали эффективность применения созданного оборудования для рассеяния переохлажденных туманов с целью увеличения видимости на взлетно-посадочной полосе до полетного минимума [86, 104]. Рис Зависимость кристаллизующей эффективности N (крист./г) жидкого пропана, жидкого азота, углекислоты и йодистого серебра от температуры Т ( о С) Однако, несмотря на высокую эффективность и низкий температурный порог действия жидкого пропана, при проведении в ЦАО опытов по искусственному рассеянию переохлажденных туманов был выявлен ряд организационных (невозможность получения официального разрешения на диспергирование пропана в зоне аэропорта) и технических (низкие характеристики промыш- 45

46 ленно выпускаемого пропана) трудностей, которые, в конечном счете, привели к отказу от внедрения этой системы в Советском Союзе. За рубежом (в США, во Франции, в Германии) эти трудности, по-видимому, отсутствуют, и пропановые системы применяются на аэродромах до настоящего времени. В связи с возникшими проблемами использования пропановых генераторов, в начале 1980-х была начата разработка новой технологии рассеяния переохлажденных туманов и облаков, основанной на использовании в качестве реагента жидкого азота. Применение жидкого азота N 2 для активного воздействия на переохлажденные облака и туманы также основывается на использовании низкой температуры его кипения ( 196 С ) для глубокого охлаждения среды, содержащей переохлажденные капли, при котором происходит генерация мелкодисперсных частиц льда. Важными достоинствами метода засева облаков и туманов жидким азотом являются его более высокий среди всех реагентов температурный порог активности, составляющий около 1 С, и экологическая безопасность. Как видно из рис. 2.3, жидкий азот превосходит пропан по производительности. Кроме того, азот выгодно отличается от пропана и углекислоты. Он является наиболее экологически чистым, химически инертным, взрыво- и пожаробезопасным, относительно недорогим, недефицитным реагентом. Исследования возможности использования жидкого азота в качестве реагента для воздействия на переохлажденные облака и туманы были начаты в СССР в начале 80-х годов. В ЦАО и НПО «Тайфун» был выполнен цикл лабораторных и натурных исследований с целью изучения льдообразующих свойств жидкого азота в зависимости от его расхода, температуры окружающей среды и скорости обдува. На рис. 2.4 показана зависимость выхода ледяных кристаллов на грамм жидкого азота от температуры на срезе выходного отверстия. Эти эксперименты были проведены при фиксированных значениях скорости потока 50 м/с, расходе азота равном 0,5 г/с и температуре переохлажденного потока 3 о С. Как видно из этого рисунка, в диапазоне температур от 60 до 90 о С наблюдается сильная зависимость удельного выхода ледяных кристаллов от темпе- 46

47 ратуры. При этом с понижением температуры на срезе сопла выход увеличивается. Рис Зависимость значений выхода ядер кристаллизации N (крист/г) от температуры азота T ( o C) На рис. 2.5 приведены экспериментальные зависимости удельного выхода ледяных кристаллов от скорости обдува генератора азота и от расхода жидкого азота. Как видно из графика (рис. 2.5), при уменьшении расхода жидкого азота (G) значение выхода (N) увеличивается. Следует отметить, что при малых расходах жидкого азота (0,08 0,12 г/с) и температуре тумана от 3 до 5 о С выход ледяных кристаллов из одного грамма жидкого азота уменьшается почти линейно от до г -1 при уменьшении скорости потока с 50 до 20 м/с. Это связано с увеличением скорости взаимной коагуляции мелкодисперсных ледяных кристаллов при уменьшении скорости разбавления первоначальной струи внешним воздухом, которое имеет место при уменьшении скорости обдувающего потока. Полученные данные показывают, что по своей льдообразующей активности и температурному порогу действия жидкий азот практически не уступает твердой углекислоте. Достигнутая в этих экспериментах величина удельного выхода для жидкого азота составляет около г -1. Не останавливаясь на деталях проведенных экспериментов, следует подчеркнуть ряд практически важных полученных результатов. 47

48 48 Рис Зависимость выхода ядер кристаллизации от скорости обдува Как оказалось, величина выхода сильно зависит от скорости обтекания сопловой части переохлажденным потоком, т.е. от скорости разбавления первоначальной струи внешним холодным воздухом. Поэтому при разработке средства воздействия необходимо учитывать этот фактор. Для получения оптимальной скорости разбавления можно, например, использовать специальные аэродинамические насадки; Другим важным выводом является то, что существует пороговая температура газообразного азота на выходном срезе сопла, равная 60 о С, выше которой происходит резкое уменьшение величины удельного выхода, что следует учитывать при разработке технических условий на разрабатываемые средства воздействия Результаты экспериментов с полногабаритной моделью генератора послужили основой для дальнейшей разработки и создания как наземных, так и самолетных средств воздействия на облака и туманы с помощью жидкого азота. Первые экспериментальные образцы генератора мелкодисперсных частиц льда на жидком азоте были изготовлены в начале 80-х годов в наземном варианте и тогда же начали использоваться для рассеяния переохлажденных туманов. Несколько позже в ЦАО были изготовлены образцы самолетного азотного генератора и

49 проведены первые натурные эксперименты по воздействию на слоистообразные облака в Молдавии и Поволжье. К середине 90-х годов специалисты в области активных воздействий вновь проявили интерес к вопросу использования самолетных азотных генераторов в работах по воздействию на облака, но уже в опытно-производственных работах по искусственному регулированию осадков. В 1994 г. была начата модернизация самолетного азотного генератора: был изготовлен опытный образец и осенью 1996 г. были проведены его летные испытания во время опытно-производственных работ по искусственному увеличению осадков в Республике Саха (Якутия). В гг. в ЛИИ им. М.М. Громова была создана конструкторская документация и изготовлена партия самолетных азотных генераторов, устройство которых защищено патентом Российской Федерации. С этого времени генераторы мелкодисперсных частиц льда регулярно применяются при проведении наземных и самолетных работ по искусственному регулированию осадков и рассеянию переохлажденных туманов. Вместе с тем, следует отметить, что при проведении воздействий на облака азотная технология имеет определенные ограничения, поскольку в отличие от засева облаков гранулами твердой углекислоты генерация ледяных частиц происходит не во всей толще засеваемого облачного слоя, а лишь вдоль трассы полета самолета, на котором установлено устройство диспергирования реагента. Поэтому жидкий азот используется на практике для засева относительно переохлажденных облачных слоев небольшой мощности или как дополнительное средство при засеве облаков йодистым серебром или твердой углекислотой, а также широко используется для воздействия на переохлажденные туманы. На рис. 2.6 и 2.7 показаны самолетный и наземный генераторы мелкодисперсных частиц льда, используемые в настоящее время в работах по активному воздействию на облака и туманы. Широкое применение хладореагентов в активных воздействиях связано с их важным практическим преимуществом возможностью проведения эффективного воздействия при сравнительно высоких температурах: от 1 до 6 ºС. Но, с другой стороны, они обладают рядом недостатков, которые существенно ограничивают 49

50 их использование. Прежде всего, это связано, во-первых, со сложностью их длительного хранения, и, во-вторых, хладореагенты практически невозможно применять в автономных средствах, таких как ракеты и пиропатроны, что существенно ограничивает оперативность при проведении воздействия. а Рис Самолетный азотный генератор ГМЧЛ-А, установленный на борту самолета Ан-26. а общий вид; б распылитель б а Рис Наземный азотный генератор ГМЧЛ-Н (а) с системой дистанционного управления (б) б 50

51 В связи с этим в противоградовых ракетах и пиропатронах, а также самолетных генераторах льдообразующего аэрозоля широкое применение нашли пиротехнические составы с льдообразующими реагентами Льдообразующие реагенты и технические средства на их основе Известно большое количество неорганических и органических веществ, обладающих льдообразующими свойствами [24, 151, 153]. Исследования, проводимые в течение более чем 40 лет во всем мире, показали, что для практического рассмотрения остаются всего несколько десятков веществ, которые по эффективности льдообразования могли бы быть альтернативой самому активному реагенту йодистому серебру. Так, например, среди органических соединений наиболее перспективным является флороглюцин [150]. К сожалению, он не нашел широкого применения из-за отсутствия эффективных средств возгонки и неоднозначности полученных экспериментальных данных [83]. В настоящее время йодистое серебро AgI является одним из наиболее широко используемых реагентов для АВ на облака различных типов. В основе использования аэрозолей йодистого серебра в качестве льдообразующего реагента лежит то обстоятельство, что кристаллическая структура AgI аналогична структуре естественного льда. Вследствие этого частицы AgI оказываются такими же эффективными льдообразующими ядрами, как и ледяные частицы. Исследования, выполненные Никандровым [144] и Плауде [152], показали, что на мельчайших частицах аэрозоля AgI происходит образование кристаллов льда вследствие сублимации водяного пара при насыщении относительно льда. Количество образующихся ледяных частиц зависит от температуры облачной среды и способа диспергирования реагента. Так, например, при сгорании пироэлемента пиропатрона ПВ с 8%-ным содержанием йодистого серебра при температуре 10 С образуется ледяных частиц. Максимальная температура, при которой в облаке генерируется количество ледяных частиц, достаточное для заметного влияния на процесс осадкообразования (так называемый температурный порог активности для йодистого серебра), по данным разных авторов, равна минус 4 6 С. 51

52 Разработка пиротехнического способа была начата в России значительно раньше, чем за рубежом, и сделала возможным создание ракетного метода воздействия на градовые облака и самолетных средств воздействия на конвективную и фронтальную облачность. На начальном этапе этих работ в качестве льдообразующих реагентов использовались йодистое серебро и йодистый свинец. При этом содержание в пиротехнических составах йодистого серебра было %, а содержание менее дефицитного йодистого свинца %. На рис. 2.8 приведены лабораторные экспериментальные данные для таких составов. Заштрихованная зона на рисунке данные для лучших составов США. Рис Состояние разработки пиросоставов с AgI и PbI на начало 80-х годов: % AgI (СССР); 2 M16 40 % AgI (СССР); 3 68K1 50 % PbI (СССР); 4 NeI-TB1 50 % AgI (США); 5 составы США до 1975 г. 52

53 Как видно из рис. 2.8, к началу 80-х годов наиболее эффективным в мировой практике активных воздействий был признан разработанный в СССР пиротехнический состав , который содержал 2 % йодистого серебра [245]. На рис. 2.9 показаны экспериментальные зависимости выхода активных ядер от температуры, полученные на стенде НПО «Тайфун» для пиропатрона ПВ- 26 с этим составом при моделировании скорости движения патрона в облаке, равной 50 м/с. Рис Эффективность штатного состава в пиропатроне ПВ воздушный поток, 2 переохлажденный двухфазный поток Здесь кривая 2 показывает эффективность состава при функционировании патрона непосредственно в переохлажденном облаке, кривая 1 данные для случая диспергирования реагента в атмосфере с последующим попаданием частиц в переохлажденную зону облака. Эти данные показывают, что состав не является универсальным относительно методик воздействия. Дальнейшие исследования показали, что эффективность этого состава 53

54 существенно зависит также от характеристик технического средства (габаритов изделия, диафрагмирования выходного сопла и т.п.). Дополнительные экспериментальные и теоретические исследования позволили разработать состав , содержащий также 2% AgJ, который заменил состав и долгое время являлся штатным. Он применялся для снаряжения головных частей противоградовых ракет «Алазань-2М» и «Кристалл». Экспериментальные данные для состава приведены на рис Рис Эффективность штатного состава в пиропатроне ПВ воздушный поток; 2 переохлажденный двухфазный поток Как видно, по сравнению с составом этот состав имел существенно лучшие характеристики льдообразования: в области сравнительно высоких температур (около 6 0 С) по эффективности этот состав значительно превосходит состав

55 Кроме того, аэрозоли, формируемые при горении состава , по своей активности и быстродействию существенно превосходили аэрозоли от лучшего американского состава TB1- NE1. Основой для разработки составов с такими характеристиками послужили результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в ЦАО и НПО «Тайфун». Эти исследования выявили определяющую и совместную роль размерных и поверхностных характеристик льдообразующей частицы. Была подтверждена стохастическая природа гетерогенной нуклеации льда на совокупности аэрозольных частиц и, тем самым, показана во многом определяющая роль времени, т. е. роль кинетического фактора. Следствием этого явилось введение нового параметра, для характеристики льдообразующей эффективности аэрозолей быстродействие, или доля частиц (от всей совокупности частиц введенных в облако), которые образуют ледяные кристаллы за определенное время. В настоящее время эта характеристика используется в проблематике активных воздействий во всем мире. Расхождение кривых на рис. 2.9 и рис связано именно с кинетическим фактором и чем меньше расхождение кривых, тем большей эффективностью обладают льдообразующие составы. В 80-х годах в ряде зарубежных странах усилилась работа по созданию льдообразующих пиросоставов. В 1983 г. в ЦАО был испытан югославский пиросостав TG 10, активность которого оказалась весьма высокой. В 1988 г. появились сообщения о трех новых югославских составах, содержащих 8 % AgI. Лучший состав обладал наравне с высокой активностью высоким быстродействием. В качестве активирующей добавки в составе использовалась йодистая медь. Македонский состав «AU», разработанный в 1990 г., содержащий 10,5 йодистого серебра и выпускаемый в Австрии, по сравнению с модернизированным составом обеспечивает более высокую льдообразующую эффективность (в 1,5 раз при температуре минус 10 С). Высокая эффективность состава была установлена испытаниями в облачной камере Колорадского университета в США и подтверждена испытаниями в ЦАО. Достоинствами состава являются высокий выход активных ядер при малых переохлаждениях облака 55

56 и малая чувствительность к термическим условиям сжигания, которые можно регулировать путем диафрагмирования поверхности горения. В 1989 г. появились сообщения о разработке высокоэффективных пиросоставов в Китае, в частности о составе BR-91-Y, который, по данным разработчиков, имеет весьма высокий выход активных частиц. Китайские специалисты исследовали кинетику активации аэрозолей, генерируемых наиболее известными пиросоставами (рис. 2.11). По их данным китайский состав BR-91-Y обеспечивает наибольшую скорость нуклеации. Российский состав , изготовленный в Китае по данным о рецептуре, найденной в литературе, оказался менее действенным. Эти данные вызывают сомнение в точности воспроизведения в Китае состава , поскольку они противоречат оценкам ЦАО и измерениям, сделанным для этого состава в начале 80-х годов Федерером [245].Тем не менее, общая картина развития льдообразующей пиротехники свидетельствует о том, что в 90-х годах зарубежные составы превосходили по своим характеристикам российские. 56 Рис Скорость нуклеации некоторых льдообразующих составов. 1 BR-91-Y; измерения выполнены в Китае; 3 NEI-TB1; измерения выполнены в ЦАО; измерения выполнены Федерером (Швейцария)

57 В 80-е годы разработка новых, более эффективных технических составов в России практически не проводилась. В 1996 г. была проведена модернизация состава , которая заключалась в увеличении содержания йодистого серебра с 2 до 4 % (без изменения других компонентов состава). Модернизированный состав применен в противоградовой ракете «Алазань-5», что позволило увеличить выход льдообразующих ядер в 1,5 2 раза. Многолетний опыт исследования и использования льдообразующих веществ в практике воздействий приводит к заключению, что возможности совершенствования этого класса реагентов состоят не в поиске новых льдообразующих соединений, который исчерпал себя, а в усовершенствовании пиротехнических составов на основе йодистого серебра. Для повышения эффективности пиросоставов имеется несколько резервов. Во-первых, таким резервом является увеличение содержания в пиросоставе йодистого серебра. При малом вкладе стоимости реагента в стоимость средства воздействия такое увеличение представляется оправданным. Более того, существенное повышение эффективности состава, приводящее к увеличению его производительности в расчете на единицу времени, позволяет в конкретных случаях снизить стоимость средств воздействия и в целом технологии воздействия. В частности, в задаче вызывания осадков повышение эффективности малогабаритного патрона ПВ-26 до уровня патрона ПВ- 50 способно существенно снизить стоимость работ как за счет меньшей стоимости малогабаритного патрона, так и за счет уменьшения стоимости средств доставки. Кроме того, решение этой задачи позволяет существенно упростить согласования документации на установку системы отстрела пиропатронов на самолеты с конструкторскими бюро, а следовательно, и затраты на оборудование самолетов. Работы, проведенные в этом направлении российскими специалистами в гг., привели к созданию современного льдообразующего состава АД-1 с 8 % содержанием йодистого серебра, который по своим характеристикам не уступает наиболее эффективному современному австрийско-македонскому составу 57

58 АU. На рис приведена активность наиболее известных современных пиротехнических составов с йодистым серебром. 58 Рис Активность наиболее известных современных пиротехнических составов с йодистым серебром На основе этого состава созданы пиропатроны ПВ-26-01, противоградовая ракета «Алазань-6», самолетный аэрозольный генератор САГ-26, наземный генераторы НАГ-07 и ГЛА-105. Вторым возможным направлением является использование добавок, приводящих к получению частиц с кристаллической решеткой, более близкой к кристаллической решетке льда. Активация йодистого серебра добавками йодистой меди, обусловливающая образование комплексных частиц двух иодидов, была предложена еще в 80-х годах [112]. Она успешно используется в последних зарубежных разработках. В последние годы данное направление реализуется и в России в работах по созданию льдообразующих составов с пониженным порогом срабатывания, в 2007 г. создан и прошел лабораторную проверку состав АДК с порогом срабатывания 3 С. Наконец, большим резервом является усовершенствование технологии приготовления составов, в первую очередь, измельчение реагентов и компонентов пиротехнической смеси, а также их

59 смешивания. Образцы пиросоставов, изготовленные разработчиками в лабораторных условиях, как правило, более активны и менее чувствительны к условиям зажигания, чем пиросоставы заводского производства. Введение аэрозоля йодистого серебра в облака при использовании самолетных средств воздействия может осуществляться: 1) диспергированием реагента под основанием облаков или внутри них путем сжигания закрепленных на самолете (рис. 2.13) пиротехнических шашек, содержащих AgI (так называемых самолетных аэрозольных пиротехнических генераторов-сагов), или путем сжигания ацетонового раствора реагента в специальной горелке, закрепленной снаружи самолета (рис. 2.14); Рис Самолетные пиротехнические аэрозольные генераторы, установленные на крыле самолета Рис Горелка для сжигания ацетонового раствора льдообразующего реагента, закрепленная на фюзеляже самолета 59

60 2) путем сброса (отстрела с помощью специальных устройств) с самолета сверху в облако горящих пиротехнических шашек (пиропатронов) с AgI. Сгорая в процессе свободного падения внутри облака, шашки выделяют в переохлажденный облачный объем большое количество кристаллов йодистого серебра по всей его толще и тем самым обеспечивают его быстрый засев. Для засева облаков йодистым серебром промышленностью в России выпускаются пиропатроны типов пиропатроны ПВ-50 диаметром 50 мм и пиропатроны ПВ-26 диаметром 26 мм (рис 2.15). а 60 Рис Пиропатроны ПВ-50 (а) и ПВ-26 (б) Технические характеристики пиропатронов ПВ-50, ПВ (с 2%-ным содержанием AgI) и ПВ (с 8%-ным содержанием AgI) приведены в табл б

61 Таблица 2.1 Основные характеристики пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50 Характеристика ПВ ПВ ПВ-50М Масса пиросостава, г Время горения, с Содержание йодистого серебра, % Длина трассы дымления, м Задержка начала горения, с 8 Выход льдообразующих ядер с 1 г пиросостава при температуре 10 о С Для отстрела пиропатронов самолеты оборудуются автоматическими устройствами КДС-155 (рис. 2.16, а), один комплект которого позволяет зарядить 60 пиропатронов ПВ-50, и устройствами АСО-2И (рис. 2.16, б) или УВ-26 (рис. 2.16, в), комплекты которых обеспечивают зарядку соответственно 64 и 256 пиропатронов ПВ-26. а б в Рис Самолетные устройства КДС-155 (а) для отстрела пиропатронов ПВ-50 и АСО-2И (б) и УВ-26 (в) для отстрела пиропатронов ПВ-26 Оригинальным представляется вариант многозарядной установки, самолетного комплекса воздействия пиропатронами 61

62 СКВ-УВ-26, устанавливаемый на самолет Ан-12 на кран-балке грузового отсека. Данное устройство обеспечивает различные режимы отстрела: 1) одиночно; 2) залп по 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 патронов; 3) непрерывная серия залпов по 2, 3, 4, 6, 8, 12, 15 патронов с интервалом 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5, 0; 6, 0; 8, 0 секунд. На фотографии на рис показан опытный образец многозарядного устройства самолетного комплекса воздействия пиропатронами СКВ-УВ-26 на самолете Ан Рис Многозарядная установка самолетного комплекса воздействия пиропатронами СКВ-УВ-26 Наряду с отстреливаемыми пиропатронами российской промышленностью выпускаются самолетные аэрозольные генераторы САГ-ПМ-01 калибра 50 мм и САГ-26 калибра 26 мм. Технические характеристики самолетных генераторов приведены в табл Таблица 2.2 Основные характеристики самолетных аэрозольных генераторов САГ-ПМ-01 и САГ-26 Характеристика САГ-ПМ-01 САГ-26 Масса пиросостава, г ± 12 Время горения, с 120 ± ± 30 Содержание йодистого серебра, % 8 8 Выход льдообразующих ядер с 1 г пиросостава: при температуре 10 о С при температуре 6 о С не менее не менее не менее не менее

63 На рис показаны самолетные аэрозольные генераторы САГ-ПМ-01 (а) и САГ-26 (б), а также размещение САГ-26 на самолете Ан-28 (в). а б в Рис Самолетные аэрозольные генераторы САГ-ПМ-01(а) и САГ-26 (б), размещение САГ-26 на самолете Ан-28 (в) При воздействии с земли засев облаков может осуществляться либо с помощью наземных генераторов, либо с помощью ракет и снарядов, содержащих AgI в качестве активного реагента. Ракеты и снаряды, содержащие активные реагенты, представляют собой наиболее удобное средство для воздействия на облака с земли. Реагент при этом может вводиться непосредственно в область, где он максимально проявляет свою активность, и тогда, когда это требуется по технологии воздействий. Введение реагента при использовании ракет и снарядов может осуществляться либо единовременно при разрыве снаряда или головки ракеты, либо путем трассирования на некотором участке полета. Как известно, в СССР в противоградовых работах широко применялись артиллеристские установки КС-19 со специально разработанными снарядами «Эльбрус», а также противоградовые ракетные комплексы ПГИ-М, «Облако», «Алазань», «Кристалл». Все они достаточно широко описаны в литературе по активным 63

64 воздействиям [3, 6, 7]. В настоящее время артиллеристские установки в противоградовых работах больше не используются, а из противоградовых ракет используется только «Алазань-6». Здесь следует заметить, что в 2011 г. завершена разработка противоградовой ракеты нового поколения «Алазань-9» обладающей эффективностью на уровне «Алазань-6», но имеющей меньший калибр (62 мм), меньшую массу и соответственно меньшую стоимость. Данная ракета принята на снабжение противоградовых служб и предназначена для запуска из новых противоградовых установок «Элия МР-60» и «Элия-2-60». В наземных генераторах диспергирование аэрозоля AgI осуществляется путем сжигания ацетонового раствора реагента в специальной горелке (жидкостные генераторы) (рис. 2.19) или пиротехнических шашек, содержащих AgI (рис. 2.20) [143]. Следует отметить, что жидкостные наземные генераторы в силу их дешевизны достаточно широко используются в различных оперативных проектах по АВ, например, во Франции, в Мексике для борьбы с градом, в Марокко, в США, на Кубе для искусственного увеличения осадков. 64 Рис Жидкостной наземный генератор производства Корпорации активных воздействий (США)

65 а Рис Наземные пиротехнические аэрозольные генераторы НАГ-07 (а) и американской компании ICE (б) В целях совершенствования технических средств воздействий в 2005 г. на базе фейерверка калибра 105 мм был разработан и серийно выпускается новый генератор льдообразующего аэрозоля фейерверочного типа ГЛА-105 (рис. 2.21), технические характеристики которого приведены в табл Генератор ГЛА-105 может использоваться как в стационарном, так и в мобильном вариантах. Таблица 2.3 Основные технические характеристики генератора ГЛА-105 Диаметр, мм 105 Высота, мм 160 Масса, не более, кг 0,8 Масса льдообразующего состава, кг 0,11 Высота постановки аэрозольного облака, м 220 Количество льдообразующих ядер, не менее, при температуре: минус 10 о С минус 6 о С б 1, ,

66 66 Рис Генератор льдообразующего аэрозоля фейерверочного типа ГЛА-105 и пусковые установки одноствольная и многоствольная 2.3. Гигроскопические реагенты и технические средства для засева облаков Как уже было отмечено ранее, воздействия как на теплые, так и на переохлажденные облака, могут выполняться с помощью гигроскопических реагентов в виде порошков, капелек растворов гиг-

67 роскопических веществ (чаще всего для этого используются NaCl, CaCl 2 ) или высокодисперсных частиц, формируемых при горении пиротехнических составов. Среди пиротехнических составов гигроскопического реагента (на основе NaCl и KC1O 4 ) наибольшую известность получили пиротехнические составы, разработанные южно-африканскими и индонезийскими специалистами. По данным лабораторных исследований пиротехнических составов гигроскопического аэрозоля, полученным индонезийскими учеными [327], основную долю (44,2 %) в гигроскопическом аэрозоле составляют частицы диаметром 1,1 2,1 микрон, 25,15 % частицы диаметром 0,7 1,1 и 13,8 % частицы диаметром 2,1 3,2 микрона, что вызывает обоснованные сомнения в эффективности использования пиротехнического способа создания гигроскопического аэрозоля. Технические средства, применяемые для засева облаков гигроскопическими реагентами, аналогичны устройствам, используемым для засева облаков гранулированной углекислотой, и самолетным пиротехническим аэрозольным генераторам льдообразующих реагентов. На рис показан засев облаков гигроскопическими порошками с самолета, а на рис самолетными пиротехническими генераторами гигроскопического аэрозоля в Индонезии. Рис Засев облаков гигроскопическими порошками с самолета 67

68 68 Рис Засев облаков гигроскопическим аэрозолем самолетными пиротехническими генераторами 2.4. Порошкообразные реагенты и технические средства для их рассеивания В качестве реагента в работах по подавлению развития конвективных облаков и зон затопленной конвекции используется грубодисперсный порошкообразный реагент. Исследования показали, что эффективность действия порошкообразного реагента существенно зависит от состава порошка, его гидрофильности, удельного веса и дисперсности. Очень грубый или слишком тонкий помол приводят к снижению эффективности действия реагента. Оптимальная дисперсность порошка (суммарная поверхность всех частиц единицы его веса), обеспечивающая наиболее высокую степень увлечения падающим аэрозольным облаком окружающего воздуха и облачной массы, составляет примерно 3000 см 2 /г. Этому значению дисперсности соответствует средний размер частиц, примерно около 5 мкм. Наиболее полно указанным свойствам соответствует обычный строительный цемент, состоящий из природных глиноземов с 4%-ной добавкой гипса. Кроме цемента, в качестве реагентов могут использоваться также диатомит, бентонит, белая глина, окись меди, песок с дисперсностью около 3000 см 2 /г. Наиболее полно указанным выше свойствам соответствует строительный цемент марки 500.

69 Для порционного введения порошкообразного реагента в облака используются упаковки с принудительным вскрытием, которые сбрасываются с самолета с помощью рольганговых и ленточных транспортеров или специальных с помощью ручных приспособлений (рис. 2.24). а б в Рис Транспортер с упаковками на самолете Ан-12 (а), упаковки, подготовленные для ручного сброса с самолета Ил-18 (б), ручной сброс упаковок с самолета Ан-72 (в) Масса сбрасываемых упаковок с грубодисперсным порошком составляет кг. Конструкция упаковки предусматривает ее принудительное раскрытие после сброса с борта самолета. При раскрытии упаковки ее корпус разделяется на небольшие элементы, безопасные как для наземных объектов, так и для воздушных 69

70 судов. Следует отметить, что в последнее время из-за большой инерционности имеющихся транспортеров сброс упаковок осуществляется в основном операторами вручную. На многих самолетах воздействия, таких как Ан-12, Ан-26, установлены системы видеорегистрации сброса порошкообразных реагентов. Система видеорегистрации позволяет вести видеозапись процесса сброса и раскрытия упаковок на протяжении всего полета. В 2006 г. Агентством АТТЕХ совместно с ЛИИ имени М.М. Громова было успешно проведены испытания сброса порошкообразных реагентов с самолета Су-30 с использованием штатных контейнеров КМГУ-2 (рис. 2.25) [121]. Рис Контейнеры КМГУ-2 для сброса 8 упаковок с порошкообразным реагентом массой 14 кг и сброс упаковок с самолета СУ-30 70

71 2.5. Самолеты, используемые при проведении оперативно-производственных работ по искусственному регулированию осадков В последние двадцать лет в связи с прекращением летных исследований атмосферы и облаков, а также экспериментов по отработке методов воздействия на них использовавшийся для этих целей в СССР парк самолетов-метеолабораторий Госкомгидромета был разрушен. Поскольку потребность в работах по активному воздействию на облака с целью искусственного увеличения атмосферных осадков стала носить эпизодический характер, возникла необходимость создания быстросъемной самолетной метеорологической аппаратуры и технических средств воздействия. устанавливаемых на самолетах только на время проведения работ по АВ. В результате проведенной работы были определены типа самолетов, которые могут быть использованы для решения этих задач, созданы быстросъемные комплексы аппаратуры и средств воздействия, разработаны и согласованы с авиационными КБ компоновочные схемы быстросъемных самолетных комплексов. На рис показаны российские самолеты, используемые в работах по искусственному регулированию осадков, а в табл. 2.4 приведены их основные характеристики. а б в г 71

72 д е 72 ж Рис Самолеты, используемые в работах по активным воздействиям. а Ил-18; б Ан-12; в Ан-26; г Ан-28; д Ан-30; е Ан-72; ж М-101Т «Гжель»; з СУ-30 Таблица 2.4 Основные характеристики самолетов, используемых в работах по АВ Ил-18 Ан-12 Ан-72 Ан-30 Ан-32 Ан-26 Ан-28 М-101Т «Гжель» СУ-30 Характеристика Взлетная масса, кг Крейсерская ско рость, км/ч Практический потолок, м Макс. дальность полета, км Макс. полезная нагрузка, кг з

73 Как видно из таблицы, применяемые в работах по активному воздействию на облака самолеты (Ил-18, Ан-12, Ан-26, Ан-28, Ан-30 и Ан-32) имеют практический потолок полета, не превышающий 9 10 км, в то же время опыт проведения работ по метеозащите и искусственному регулированию осадков показывает, что возникает необходимость воздействия на облака большой мощности с высотами верхних границ более 10 км. В связи с этим после проведения описанных выше испытаний по сбросу порошкообразных реагентов с 2007 г. в работах по воздействию на облака большой мощности начали использовать самолет Су-30, который отличается большим потолком полета до 20 км. Ниже приводятся схемы размещения средств воздействия на самолетах Ил-18 и Ан-12. Рис Схема размещения средств активного воздействия на Ил-18 Рис Схема размещения технических средств воздействия на самолетах Ан-12 73

74 В качестве самолета-метеолаборатории в работах по улучшению погодных условий обычно также используются самолеты Ил-18, Ан-12. В этом случае на них устанавливается измерительно-вычислительный комплекс (ИВК). Кроме того, разработаны варианты использования в качестве самолетов-метолабораторий Ан-26 и Ан Измерительная аппаратура самолета-метеолаборатории Поскольку в сложившихся условиях, задачей самолетовметолабораторий не является тонкое исследование микрофизических и термодинамических характеристик облаков и механизмов образования осадков, состав аппаратуры типового самолета-метеолаборатории ограничен несколькими приборами, необходимыми для измерения лишь тех параметров атмосферы и облаков, которые в соответствии с существующими руководящими документами необходимы для выработки критериев пригодности облаков для проведения работ по активному воздействию на них. Такими параметрами являются температуры и влажность среды, скорость и направление ветра. водность облаков. Для этого на каждом самолете-метеолаборатории установлен измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) (рис. 2.29), позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать и отображать на экране монитора вышеперечисленные параметры атмосферы и облаков в реальном масштабе времени. 74 Рис Измерительно-вычислительный комплекс, установленный на борту самолета-метеолаборатории Ил-18

75 В табл. 2.5 приведен перечень параметров, измеряемых ИВК самолета-метеолаборатории, используемого в оперативно-производственных работах по искусственному регулированию осадков. Таблица 2.5 Параметры, измеряемые и регистрируемые с помощью ИВК Вид параметра Измеряемый параметр Рассчитываемые характеристики 1 Время 2 Географические координаты 3 Маршрут полета 4 Курс Навигационные 5 Угол сноса 1. Скорость ветра параметры 2. Направление 6 Азимут от точки привязки ветра 7 Удаление от точки привязки 3. Относительная 8 Высота барометрическая влажность 9 Путевая скорость 10 Воздушная скорость Термодинамические 11 Истинная температура параметры 12 Температура точки росы 13 Жидко-капельная водность Микрофизические 14 параметры 15 Специальные параметры Полная водность (капли+кристаллы) Место и вид воздействия 1. Жидко-капельная водность LWC 2. Содержание ледяной фазы IWC Перенос зон воздействия Система передачи данных «Земля Борт Земля» Совершенствование компьютерной техники, создание цифровых автоматизированных систем представления радиолокационной информации, широкое распространение спутниковых систем навигационного позиционирования потребовали новых подходов к информационному обеспечению работ по активному воздействию на облака и совершенствования организации управления работами. Существовавшая ранее организация работ по активным воздействиям на облака устарела и была неэффективной. Отсутствие на борту самолета в реальном масштабе времени радиолокационной информации об облаках и осадках в районе проведения работ, а также отсутствие на Пункте управления работами оперативных данных о нахождении самолетов и параметрах атмосферы и облаков оказывало негативное влияние на эффективность выполнения 75

76 операций по воздействию в быстроменяющейся метеорологической ситуации, поскольку динамика изменения синоптической обстановки в районе проведения работ зачастую опережала динамику управленческого анализа и принятия решений. Все эти обстоятельства и привели к необходимости создания системы передачи данных между самолетами и пунктом управления работами по воздействию [318]. На рис показана общая схема системы радиообмена данными «Земля Борт Земля». В состав системы входят наземный комплект, устанавливаемый на пункте управления работами, и бортовые комплекты, устанавливаемые на самолетах, участвующих в работах. 76 Рис Общая схема системы радиообмена данными «Земля Борт Земля» Комплект бортового оборудования системы включает в себя: 1. Радиостанцию авиационного диапазона ICOM А Бортовой навигационный контроллер со встроенным GPS приемником.

77 3. Бортовую УКВ антенну С Комплект соединительных кабелей. 5. Бортовой компьютер. Радиостанция ICOM-A110 и бортовой навигационный контроллер со встроенным GPS приемником устанавливаются в кабине самолета (рис. 2.31). Антенна GPS приемника устанавливается на верхнем остеклении кабины экипажа. УКВ-антенна С1-122 устанавливается в нижней части фюзеляжа самолета или на заглушке генератора ГМЧЛ. а Рис Радиостанция ICOM-A110 и бортовой навигационный контроллер со встроенным GPS приемником (а). УКВ-антенна CI-122, установленная в нижней части самолета (б) Бортовой навигационный контроллер соединен с радиостанцией и с бортовым компьютером Системы. Контроллер также содержит встроенный навигационный приемник системы GPS. Контроллер обеспечивает обмен данными с комплектом наземного оборудования системы диспетчеризации по узкополосному радиоканалу в выделенном участке авиационного диапазона волн МГц по адресным запросам наземного комплекта оборудования системы диспетчеризации. Контроллер обеспечивает прием и распознавание запросов с земли, определение и передачу координат воздушного судна по запросу с земли, организацию помехоустойчивой и достоверной б 77

78 цифровой связи «Земля Борт» в радиоканале авиационного диапазона. Второй выход контроллера подсоединен к бортовому персональному компьютеру, на мониторе которого отображается в реальном масштабе времени траектория полета самолета, основные навигационные параметры и положение зон воздействия. Системы диспетчеризации обеспечивает: 1) отображение траекторий полета самолетов на навигационных картах местности и радиолокационных картах распределения облаков и осадков в реальном масштабе времени как на бортовых мониторах, так и на мониторе наземного пункта управления; 2) получение радиолокационных карт облачности и осадков на борту самолета; 3) получение координат точек воздействия на наземном пункте управления работами; 4) получение данных самолетного зондирования атмосферы и облаков; 5) возможность обмена текстовыми сообщениями между наземным пунктом управления и бортовыми операторами самолетов. Объединение по компьютерной сети системы радиообмена данными «Земля Борт Земля» с ИВК позволяет передавать на наземный командный пункт данные самолетных измерений, полученные в процессе полета. На рис показан ИВК, объединенный с системой радиообмена данными. 78 Рис ИВК с системой радиообмена данными на борту самолета-метеолаборатории

79 На рис показана траектория полета самолета и места проведения воздействий и тип используемого реагента на экране наземного пункта управления. Рис Фрагмент траектории полета самолета и отображение мест проведения воздействий на мониторе пункта управления работами На рис показаны данные самолетного зондирования атмосферы и облаков, полученные в оперативном режиме на наземном пункте управления. Такие же бортовые комплекты системы радиообмена данными в составе радиостанции, навигационного контроллера и персонального компьютера установлены на всех самолетах воздействия. Используемый в настоящее время комплект системы радиобмена данных «Земля Борт Земля» позволяет осуществлять оперативное развертывание наземного пункта управления работами и монтаж бортовых комплексов на самолетах. 79

80 80 Рис Данные самолетного зондирования атмосферы и облаков, полученные на пункте управления Мобильный пункт управления авиационными работами по воздействию на облака Крупномасштабные работы по улучшению погодных условий, как правило, проводятся в крупных городах, где имеются автоматизированные радиолокационные комплексы, позволяющие получать оперативную радиолокационную информацию об облаках и осадках в районе проведения работ. Вместе с тем, возникают ситуации, когда эти работы необходимо провести в тех регионах, где либо отсутствует радиолокационная метеорологическая сеть, либо где радиолокаторы не имеют автоматизированной системы предоставления информации. В связи с этим актуальной задачей при проведении работ по искусственному регулированию осадков стало создание мобильного пункта управления работами по активному воздействию на облака, способного выполнять управление работами по искусственному регулированию атмосферных осадков в удаленных регионах при отсутствии радиолокационной метеорологической информа-

81 ции и централизованного энергоснабжения [286]. Функциональная схема мобильного пункта управления авиационными работами по активному воздействию на облака показана на рис Рис Функциональная схема мобильного пункта управления авиаработами по активному воздействию на облака В состав пункта управления входит: мобильный одноволновый радиолокатор (ММРЛ) «КОН- ТУР-МЕТЕО-01»; программно-аппаратный комплекс; система автономного энергоснабжения. В состав ММРЛ «КОНТУР-МЕТЕО» входят: поворотная платформа; приемопередатчик; волноводно-щелевая антенна; волноводный тракт; радиопрозрачный колпак; ноутбук. Радиолокатор имеет следующие характеристики: длина волны 3,2 см; импульсная мощность передатчика 5 квт; вес 60 кг; габариты ММРЛ: высота 1,1 м; диаметр 1,2 м; электропитание ММРЛ 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность не более 250 Вт. 81

82 На рис показан вид ММРЛ «КОНТУР-МЕТЕО-01» со снятым колпаком, а на рис цифрокарта радиолокационной отражаемости. Рис Общий вид ММРЛ «КОНТУР-МЕТЕО-01» со снятым колпаком 82 Рис Цифрокарта радиолокационной отражаемости ММРЛ «КОНТУР-МЕТЕО-01»

83 Транспортировка радиолокатора может осуществляться на легковом автомобиле, как показано на рис Рис Вариант транспортировки радиолокатора «КОНТУР-МЕТЕО-1» В состав программно-аппаратного комплекса входят: система сопряжения с радиолокатором (ноутбук со специальным программным обеспечением); система обмена данными и голосовой связи с самолетами (ноутбук со специальным программным обеспечением, контроллер диспетчерский, две радиостанции Icom A-110, базовая антенна). В состав системы автономного энергоснабжения входят два аккумулятора и два бензиновых генератора (основной и резервный), что позволяет обеспечить непрерывную работу пункта в автономном режиме продолжительное время. Вся аппаратура программного аппаратного комплекса пункта управления размещается на автомобиле УАЗ повышенной проходимости (рис. 2.39), что позволяет осуществлять его оперативное развертывание в районе проведения работ вдали от магистралей и населенных пунктов. 83

84 Мобильный пункт управления авиационными работами по активному воздействию на облака, созданный усилиями ученых и промышленности, прошел опытную эксплуатацию в ходе работ по метеоезащите Москвы в гг. Рис Пограммно-аппаратный комплекс мобильного пункта управления активными воздействиями 84

85 Глава 3. РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ОБЕСПЕЧЕНИИ РАБОТ ПО АКТИВНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ Для успешного проведения активных воздействий и оценки эффективности их результатов необходимо обеспечить выбор облачности, пригодной к воздействиям, и обеспечить ее мониторинг до и после воздействий. Эти задачи возможно решить в основном только с применением дистанционных радиофизических средств: активная, пассивная и пассивно-активная радиолокация. Ниже будут рассмотрены возможности каждого из этих методов и приведены результаты их применения в задачах активных воздействий на облака с целью искусственного регулирования осадков Методы пассивной радиолокации (радиотеплолокации, микроволновой радиолокации, СВЧ-радиометрии) в задачах АВ Для оценки содержания жидкокапельной влаги в облаках в задачах АВ используются радиотеплолокационные методы [176, 190, 336]. Они позволяют оценивать изменения во времени интегрального содержания водяного пара и жидкокапельной влаги в облаках в процессе естественного развития и при АВ на них [2, 79, 141, 161]. В случае комплексного применения СВЧ-радиометра с метеорологическим радиолокатором можно оценивать среднюю водность облака и особенно водность переохлажденной жидкокапельной его части, наличие которой является необходимым условием для проведения АВ на облака с целью регулирования осадков [25, 49, 58, 223]. Кроме того, существует возможность измерить интенсивность жидких осадков, что может быть использовано при оценке эффективности результатов АВ на облака с целью вызывания осадков [ ]. 85

86 Определение влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков Влагозапас атмосферы (Q) и водозапас облаков (W) определяются следующими выражениями: ( ) ( ) ( ) ( ) где ρ(z), w(z) профили абсолютной влажности воздуха и водности облаков, соответственно; z 0, z 1 высоты верхней и нижней границ облака. Определение влагозапаса атмосферы и водозапаса атмосферы основано на связи этих параметров с характеристиками радиотеплового излучения атмосферы, а именно с радиояркостной температурой и оптической толщиной. Эти связи вытекают из уравнения переноса радиотеплового излучения. Принципиальная возможность раздельного определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков обусловлена различием спектров поглощения парообразной и жидкокапельной влаги в микроволновом диапазоне. Интерпретация микроволнового излучения с целью определения интегральных параметров атмосферы производится двумя способами: в одном используется зависимость интенсивности микроволнового излучения, выраженного через радиояркостные температуры от метеопараметров, в другом зависимость от них интегрального поглощения в атмосфере. Оптическая толщина атмосферы связана с влагозапасом атмосферы и водозапасом облаков линейным соотношением: τ( f ) = τ d ( f ) + k q ( f )Q + k w ( f )W, (3.3) где τ d (f) поглощение кислородом атмосферы на частоте излучения f; k q, k w удельные коэффициенты поглощения водяным паром и жидкокапельной влагой, соответственно, определяются профилями основных метеопараметров атмосферы: давления Р(z), температуры Т(z), относительной влажности U(z). 86

87 Оптическая толщина атмосферы связана с измеряемой радиояркостной температурой как ( ) ( ( ) ( ) ( ) ), (3.4) где Т к температура реликтового излучения космоса, 2,75 о К; Т эфф средняя эффективная температура атмосферы: ( ) ( ) ( ) [ ( ) ] ( ) [ ( ) ], (3.5) где θ зенитный угол; z высота; α коэффициент поглощения. В случае безоблачной атмосферы (W = 0) выражение (3.3) используется для определения влагозапаса атмосферы по измерениям оптической толщины атмосферы на одной длине волны. При этом, учитывая, что вариации поглощения в кислороде являются незначительными, как правило, используют их среднеклиматические значения. Погрешность определения влагозапаса определяется неточностью задания поглощения в кислороде и вариациями удельного коэффициента поглощения в водяном паре, вызванными вариациями профилей метеопараметров. В работах [50] показано, что минимальные вариации коэффициента α(λ) отмечаются на склоне линии поглощения водяного пара, составляя менее 1 %. Поэтому при идеально точных измерениях оптической толщины атмосферы оптимальными длинами волн являются опт1 1,43 см или опт2 1,28 см. В случае облачной атмосферы для решения задачи раздельного определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков измерения характеристик радиотеплового излучения атмосферы выполняются как минимум на двух частотах f 1, f 2. Тогда влагозапас атмосферы и водозапас облаков определяются при решении системы: ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) ) (3.6) Решение данной линейной системы уравнений относительно искомых параметров влагозапаса атмосферы (Q) и водозапаса облаков (W) имеет вид: 87

88 Q = α 0 + α 1 τ(f 1 ) + α 2 τ(f 2 ); W = b 0 + b 1 τ(f 1 ) + b 2 τ(f 2 ). (3.7) При решении системы используются среднеклиматические оценки значений регрессионных коэффициентов α i, b i или их оценка по текущим метеопараметрам атмосферы, при этом их связь с коэффициентами поглощения в водяном паре и жидкокапельных облаках в явном виде определяется из выражений: α 0 = [K w (f 1 )τ d (f 2 ) K w (f 2 ) τ d (f 1 )]D; α 1 = K w (f 2 )D; α 2 = K w (f 1 )D; b 0 = [K q (f 2 )τ d (f 1 ) K q (f 1 ) τ d (f 2 )]D; b 1 = K q (f 2 )D; b 2 = K q (f 1 )D; D = [K q (f 1 )K w (f 2 ) K q (f 2 ) K w (f 1 )] -1. (3.8) Значения удельных коэффициентов поглощения парообразной и жидкокапельной влаги, входящие в соотношения, определяются по известным профилям метеопараметров атмосферы (температуры, влажности, давления, водности) на основе данных радиозондирования и самолетного зондирования [51, 159]. Выбор оптимальных длин волн зондирования осуществлялся в работе [52] посредством максимизации критерия F, выражение для которого имеет вид: { }, (3.9) где характеризуют априорную неопределенность оценки влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, соответственно; еѐ апостериорную неопределенность. Одной из оптимальных комбинаций длин волн для решения задачи раздельного определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков является следующая: λ 1опт (0,8 0,9) см, λ 2опт 1,43 см [52]. 88

89 Анализ погрешностей определения влагозапаса атмосферы Q и водозапаса облаков W, проведенный в работе [176] показывает, что погрешность определения Q определяется в основном точностью измерения оптической толщины атмосферы, а погрешность определения W, кроме того, зависит от температуры капель облака, и составляет %. При идеально точных измерениях относительное уменьшение априорной неоределенности оценки влагозапаса составляет около 90 %, а водозапаса слоистообразных облаков %. Погрешности определения водозапаса облаков зависит от того, насколько точно известна эффективная температура облаков. Возможность оценки этой характеристики непосредственно из радиометрических измерений рассмотрена в [98, 140]. Для раздельного определения Q, W, T эфф предложены следующие длины волн 1,3...1,4 см, 0,67...0,94 см и 0,27...0,4 см. Методика, предложенная в [140], основана на том обстоятельстве, что существует такая оптимальная длина волны на которой коэффициент поглощения облаков не зависит от их температуры в интервале неопределенности 10 о К. При этом интервал неопределенности оценивался по приземной температуре. Погрешности данной методики для летних условий составляют 3 % для Q, 20 % для W и 5К для T эфф. Определение водозапаса облаков Однопараметрический метод оценки водозапаса облаков из результатов СВЧ-радиометрического зондирования атмосферы основан на использовании соотношения (3.2): W = k w (f) -1 [τ(f) τ d (f) k q (f)q]. (3.10) Как показано в [52], решение двухпараметрической задачи определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков для модели атмосферы, содержащей мощные конвективные облака (Cb и Cu cong), является малоэффективным. Причиной является неопределенность оценки эффективной температуры облаков и большой оптической толщи облаков на заданных длинах волн. Поэтому для этих облаков решается однопараметрическая задача определения W по измеренным значениям оптической толщины облаков на длинах волн λ 3 = 3,2 мм, λ 4 = 8 мм, которые близки к оптимальным 89

90 для зондирования конвективных облаков на различных стадиях развития. Для определения водозапаса облака вдоль направления зондирования (l), используется соотношение [159]: 90 W(l) = Ψ(Т обл, λ)τ w (λ, l), (3.11) где τ w (λ, l) оптическая толщина облака, определяется из относительных измерений радиотеплового излучения; Т обл температура облачных капель; Ψ(Т обл, λ) коэффициент, зависящий от температуры капель облака, приводится в табл. 3.1 для длин волн 8,2 мм и 3,2 см. Таблица 3.1 T обл, С обл, 8,2 мм) 2,964 3,934 5,085 6,255 обл, 3,2 см) 36,587 54,019 72,309 91,833 Погрешность оценки водозапаса определяется погрешностью определения температуры облака и составляет % [159]. Таким образом, для раздельного определения влагозапаса атмосферы и водозапаса слоистообразных облаков оптимальными длинами волн являются 1,4 cм или 1,3 см и (0,8 0,9) см. Теоретическая погрешность оценки влагозапаса атмосферы составляет около 10% и водозапаса облаков около 30 %. Для определения водозапаса конвективных облаков оптимальными длинами волн являются 8 и 32 мм. Погрешность определения водозапаса облаков определяется погрешностью оценки средней температуры облака и составляет % Экспериментальные исследования влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков Исследования влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков проводились в Ленинградской области (60 N, 31 E) в различные сезоны гг. Эксперименты показали, что влагозапас атмосферы изменяется в диапазоне кг/м 2, а водозапас атмосферы, содержащей слоистообразные облака, не превышает, как правило, 1,0 кг/м 2. На синоптическом отрезке временных масштабов максимальные значения водозапаса отмечаются в периоды с мак-

91 симальными значениями водозапаса атмосферы. Максимальные значения влагозапаса отмечаются при прохождении теплых фронтов и фронтов окклюзии и в летний период составляют около кг/м 2, а в зимний около кг/м 2. Сезонный ход влагозапаса атмосферы отражен в табл. 3.2, где приводятся средние значения влагозапаса атмосферы и их средние квадратические отклонения σ Q, полученные в различные периоды года в Ленинградской области. Для сравнения там же приводятся результаты измерений влагозапаса над океаном в апреле 1990 г. В табл также приводятся соответствующие оценки, полученные интегрированием радиозондовых значений абсолютной влажности, которые показывают удовлетворительное согласие радиометрических и радиозондовых данных о влагозапасе атмосферы. Таблица 3.2 Период Q, кг/м 2 Q, кг/м 2 Qрз, кг/м 2 Qрз, кг/м 2 Июль, 1993 г. 24,99 5,70 23,61 4,83 Октябрь, 1993 г. 12,81 5,98 11,91 5,72 Январь, 1993 г. 8,20 3,05 7,09 2,67 Апрель, 1990 г. 17,55 8,49 15,59 8,17 Рассмотрим примеры СВЧ-радиометрических наблюдений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, выполненных в различные сезоны в Ленинградской области (п. Воейково). Пример временного хода средних за 1 час влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по СВЧ-радиометрическим измерениям в июле 1993 г. в Ленинградской области (п. Воейково) показан на рис На рисунке также показаны значения влагозапаса, рассчитанные по данным радиозондирования, средняя квадратическая ошибка радиометрических и радиозондовых значений влагозапаса составляет 1,8 кг/м 2. Среднее значение влагозапаса и его среднее квадратическое отклонение за период исследований составляет 24,99 кг/м 2 и 5,70 кг/м 2, соответственно. Изменения влагозапаса атмосферы, которые зарегистрированы в периоды июля, июля и связаны с прохождением теплых атмосферных фронтов. Максимальные значения водозапаса связаны с облаками Frnb (13 15, 20, 22, 24, 25 июля) и Cb (6, 8, 9, 13, 15, 16, 19, 21, 24, 25 июля). 91

92 влагозапас(радиозонд) влагозапас(радиометр) водозапас 4 Влагозапас, кг/м Водозапас, кг/м Июль 1993г. Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по СВЧрадиометрическим измерениям в июле 1993 г. (п. Воейково, Ленинградская обл.) На рис. 3.2 представлен временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, полученных по данным СВЧ-радиометрических измерений в октябре 1993 г. Среднее значение влагозапаса по СВЧ-радиометрическим измерениям составляло Q = 12,81 кг/м 2, а его среднее квадратическое отклонение Q = 5,98 кг/м 2. В относительно теплый период 8 13 октября (температура воздуха у поверхности земли составляла С) метеостанция отмечала слоистые облака Ac, Sc, St, Ns, Frnb, водозапас которых по данным СВЧ-радиометрических измерений не превышал 0,5 кг/м 2, а влагозапас атмосферы изменялся в интервале ( ) кг/м 2. Понижение температуры водуха до 0 С 14, 15 октября сопровождалось уменьшением влагозапаса атмосферы до 6 кг/м 2. Низкие значения влагозапаса сохранялись до 19 октября, а водозапас облаков Ас, Sc в эти дни составлял менее 0,15 кг/м 2. Увеличение влагозапаса атмосферы до кг/м 2 19 октября сопровождалось увеличением температуры воздуха у поверхности 92

93 земли до 7 С. В период октября метеостанция отмечала облака Frnb, водозапас которых не превышал 1 кг/м 2. В холодный период октября (приземная температура воздуха около 4 С) отмечались низкие значения влагозапаса кг/м 2, а водозапас облаков Ac, Sc составлял менее 0,05 кг/м 2. Водозапас облаков Frnb, которые отмечались 24 октября, составлял 0,2...0,3 кг/м влагозапас атмосферы (радиозонд) 40 водозапас облаков 4 Влагозапас атмосферы, кг/м влагозапас атмосферы (радиометр) 3 2 Водозапас облаков, кг/м Октябрь 1993г. Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по СВЧ-радиометрическим измерениям в октябре 1993 г. (п. Воейково, Ленинградская область) Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, полученных по данным СВЧ-радиометрических измерений в зимний период 1 22 января 1994 г., показан на рис Как видно из рисунка, влагозапас атмосферы изменялся от 2,8 кг/м 2 до 17 кг/м 2, среднее значение влагозапаса составляло 8,2 кг/м 2, а его среднее квадратическое отклонение составило 3,05 кг/м 2. Водозапас облаков за период измерений не превышал 0,35 кг/м 2. В период 1 6 января, когда приземные температуры воздуха составляли С, влагозапас атмосферы по СВЧ-радиометрическим данным составлял кг/м 2, а водозапас облаков Sc, St, 0 93

94 Frnb, Cb составлял 0, ,21 кг/м 2. Увеличение влагозапаса 7 8 января до кг/м 2 сопровождалось увеличением температуры воздуха от 5 С (7 января) до +1 С (9 января). В течение 8 9 января метеостанция отмечала слоистые облака St, водозапас которых по радиометрическим измерениям составлял 0,05...0,26 кг/м 2. Понижение приземной температуры воздуха до 8 С объясняет уменьшение влагозапаса атмосферы 9 января. В период января влагозапас атмосферы составлял кг/м 2, а водозапас облаков Sc, St в эти дни составлял W = 0,02...0,19 кг/м 2. Рост влагозапаса атмосферы во второй половине 12 января до 15 кг/м 2 в дальнейшем сопровождается повышением приземной температуры воздуха 13 января до 0 С, а 14 января до +2,7 С. В период января влагозапас атмосферы составлял кг/м 2, а водозапас облаков Sc, Сb, Frnb составлял менее 0,29 кг/м 2. Постепенное понижение температуры воздуха до С 19 января определяет уменьшение влагозапаса атмосферы до кг/м 2, а водозапас облаков Frnb составлял менее 0,1 кг/м Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по СВЧ-радиометрическим измерениям в январе 1994 г. (п. Воейково, Ленинградская обл.) Как показывают исследования, наибольшие вариации влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков связаны с прохождением

95 атмосферных фронтов циклонов. Пример временного ряда средних за 15 мин измеренных значений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в ноябре 1991 г. приводятся на рис влагозапас атмосферы (радиозонд) Влагозапас атмосферы, кг/м влагозапас атмосферы (радиометр) водозапас облаков 2 1 Водозапас облаков, кг/м Ноябрь 1991г. Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по данным СВЧ-радиометрических измерений при прохождении фронта окклюзии 3 ноября 1991 г. (п. Воейково, Ленинградская область) На рисунке указаны значения влагозапаса атмосферы, полученные интегрированием радиозондовых профилей. Увеличение влагозапаса атмосферы с 8 до 18 кг/м 2 около 2 ч 3 ноября обусловлено прохожденнием фронта окклюзии циклона, который перемещался в северо-восточном направлении. После прохождения фронта 3 4 ноября отмечались слоистообразные облака, Frnb, осадки в виде снега, максимальные значения водозапаса облаков составляли 0,3...0,4 кг/м 2. Уменьшение влагозапаса атмосферы 5 ноября до 10 кг/м 2 обусловлено холодным фронтом. Пример временного ряда средних за 15 минут значений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, полученных в период 7 10 февраля 1997г. приводится на рис Синоптическая обстановка определялась циклоном с центром над Балтийским морем, который перемещался в северо-восточном направлении, 7 февраля метеостанция отмечала повышение приземной температуры воздуха до 0 С, в этот день по радиометрическим измерениям влагозапас атмосферы увеличивался до

96 кг/м 2. Максимальные значения водозапаса облаков Ns 7 8 февраля составляли 0,4...0,5 кг/м 2. Понижение температуры воздуха 9 февраля до 4 С сопровождалось уменьшением влагозапаса атмосферы до кг/м 2, а водозапас облаков составлял менее 0,05 кг/м Воейково 1997/ Влагозапас атмосферы, кг/м Влагозапас атмосферы (MWR) Водозапас облавков(mwr) Влагозапас атмосферы (радиозонд) Водозапас облаков, кг/м Февраль, 1997г. Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по СВЧ-радиометрическим измерениям в феврале 1997 г. (п. Воейково, Ленинградская область) Анализ временной изменчивости влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков позволяет обнаружить интересный факт об особенности структуры характеристик влагосодержания в области теплого атмосферного фронта: осадки и максимальные значения водозапасов облаков наблюдались через определенный интервал времени после максимума производной. Полученные результаты могут быть интересны при решении задач использования СВЧрадиометрических данных для сверхкраткосрочного прогноза осадков. Результаты сравнительных экспериментов: погрешность определения влагозапаса атмосферы В качестве примера на рис. 3.6 приведен временной ход влагозапаса атмосферы (Q) и водозапаса облаков (W), определенных по СВЧ-радиометрическим измерениям в период с 1 по 21 мая 0.0

97 2007 г. в п. Воейково. Как видно из рисунка, влагозапас атмосферы изменялся в широких пределах от 3,2 до 35 кг/м 2, среднее значение влагозапаса за период с 1 по 21 мая составляет 11,3 кг/м 2, а его среднее квадратическое отклонение 4,77 кг/м 2. Водозапас облаков, как правило, не превышал 1 1,2 кг/м 2. На рисунке также показаны радиозондовые (п. Воейково) значения влагозапаса атмосферы, которые согласуются с данными СВЧ-радиометра (средняя квадратическая ошибка составляет 1,03 кг/м 2 ) [110]. Водозапас облаков, кг/м Воейково, 2007г а) Влагозапас атмосферы, кг/м Радиометр Радиозонд День года б) Рис Временной ход влагозапаса атмосферы (а) и водозапаса облаков (б) по СВЧ-радиометрическим измерениям в Воейково 1 мая 21 мая 2007 г. Некоторые результаты сравнения радиозондовых и СВЧ-радиометрических измерений влагозапаса атмосферы, полученных в 2007 г. приводятся в табл Таблица 3.3 Период СЗ(Q), СКО(Q), СКО(Р-РЗ), Число кг/м 2 кг/м 2 кг/м 2 сравнений Июнь, 2006 г. 20,18 5,82 1,53 30 Октябрь, 2007 г. 12,31 3,67 1,96 28 Февраль, 2007 г. 5,20 2,95 0,98 34 Май, 2007 г. 17,55 8,49 1,

98 Сравнение СВЧ-радиометрических и радиозондовых значений влагозапаса атмосферы, выполненное в различные сезоны года показало, что при вариациях влагозапаса атмосферы в интервале кг/м 2, водозапаса облаков 0 1 кг/м 2 средняя квадратическая разница радиометрических и радиозондовых значений влагозапаса в зените составляла 0,98...1,96 кг/м Водозапас слоистообразных облаков. Результаты сравнения с эмпирическими моделями Полученные результаты СВЧ-радиометрических измерений влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков классифицировались по типам облаков. Для идентификации типа облачности привлекались данные стандартных (ежечасных) метеорологических наблюдений. Далее представлены результаты статистического анализа СВЧ-радиометрических данных о влагозапасе атмосферы и водозапасе облаков, выполненного для трех групп слоистообразных облаков: Sc, St; Ns; Ac. Результаты анализа СВЧ-радиометрических данных о влагозапасе атмосферы и водозапасе различных типов слоистообразных облаков приводятся в табл в виде средних значений и их средних квадратических отклонений, для различных периодов года в Ленинградской области (числитель). Для сравнения приводятся значения водозапаса облаков, соответствующие эмпирической модели облаков, развитой на основе данных самолетного зондирования атмосферы в Северо-Западном регионе [60] (знаменатель). Из данных, представленных в табл. 3.4, видно, что для облаков Ac характерны более низкие значения влагозапаса атмосферы, чем для Sc, St, Ns для всех периодов года. Необходимо также отметить существенную разницу водозапасов облаков Ns, измеренных в теплый и холодный период года, в то время как для облаков Ac, Sc, St, эти различия незначительны. Хотя облака Sc и St рассматриваются в одной группе, для облаков St характерны более высокие (на 0,02...0,05 кг/м 2 ) значения водозапасов, чем для облаков Sc. Пример регистрации данных СВЧ-радиометрических наблюдений слоистообразных облаков Sc приводится на рис. 3.7 [330]. Как видно из рисунка, водозапас облаков в зените за период времени 8100 с изменяется в интервале от 0,020 до 0,100 кг/м 2.

99 Таблица 3.4 Тип облаков, период Q, кг/м 2 Q, кг/м 2 W, кг/м 2 W, кг/м 2 Июль 1993 г. Ас 23,15 / 25,88 5,46 / 6,97 0,039 / 0,12 0,021 / 0,07 Sc, St 26,05 / 24,54 3,34 / 6,56 0,095 / 0,14 0,059 / 0,07 Ns 31,05 3,09 0,318 0,218 Октябрь 1993 г. Ас 10,10 / 12,10 3,09 / 6,90 0,029 / ,014 / 0,03 Sc, St 13,75 / 13,92 4,30 / 5,83 0,137 / ,074 / 0,03 Ns 21,88 / 18,0 7,69 / 6,40 0,350 / ,201 / 0,34 Январь 1994 г. Ас 7,36 / 6,18 2,12 / 0,04 0,023 / 0,04 0,023 / 0,03 Sc, St 9,67 / 2,29 3,58 / 0,08 0,093 / 0,08 0,066 / 0,03 Ns 10,65 3,96 0,113 0,073 Рис Временной ход водозапаса слоистообразных облаков 27 августа 2008 г. (п. Воейково) В целом результаты СВЧ-радиометрических измерений водозапасов слоистообразных облаков согласуются с эмпирическими моделями, полученными по результатам самолетного зондирования в Северо-Западном регионе бывшего СССР, отраженными в табл В качестве сравнения в табл. 3.5 представлены средние значения влагозапаса атмосферы, водозапаса различных типов слоистообразных облаков и их средние квадратические отклонения, полу- 99

100 ченные в различных районах Северной Атлантики (координаты: 55 N, 30 W N, 45 W) весной 1990 г. Из данных, приведенных в табл. 3.5, следует, что средние значения водозапасов слоистообразных облаков Ac, Sc, St, измеренные в районах Северной Атлантики весной 1990 г. не отличаются существенно от соответствующих значений, полученных в Ленинградской области в осенний период года. В то же время, для облаков Ns над океаном отмечались несколько более высокие значения водозапасов, чем в Ленинградской области. Необходимо также отметить различия водозапасов Ns, измеренных при различных температурах атмосферы. 100 Координаты района, тип облаков Q, Q, W, кг/м 2 кг/м 2 кг/м 2 Таблица 3.5 W, кг/м 2 48 N, 46 W Ac 13,09 7,65 0,036 0,025 Sc, St 18,34 7,78 0,111 0,085 Ns 25,12 6,21 0,430 0, N, 30 W...42 N, 45 W Ас 12,5 2,87 0,040 0,020 Sc, St 21,45 2,75 0,126 0,057 Ns 28,87 4,22 0,523 0,397 Так, при отрицательных температурах С в нижнем 3-километровом слое (данные радиозонда) водозапас облаков Ns составлял W = (0,04...0,18) кг/м 2, при положительных температурах С в нижнем 3-километровом слое отмечались более высокие значения водозапасов W = (0,3...0,8) кг/м 2. Так как в период выполнения СВЧ-радиометрических измерений непосредственных измерений водности облаков контактными методами не проводились, то согласие полученных данных о водозапасах различных типов слоистообразных облаков с моделями, позволяют косвенно оценить погрешность измерения водозапаса облаков СВЧ-радиометрическим методом как удовлетворительную Пассивно-активный радиолокационный метод определения водности переохлажденных зон конвективных облаков и интенсивности осадков Важной характеристикой конвективных облаков является средняя водность их переохлажденных зон. Оперативное получе-

101 ние информации о водности переохлажденных зон необходимо при управлении активными воздействиями на мощные конвективные облака с целью регулирования осадков и электрической активности и для контроля результатов этих воздействий, а также для обнаружения зон возможного обледенения летательных аппаратов. Для дистанционного определения средней водности переохлажденных зон Cu cong. и Сb недостаточно лишь радиотеплолокационной аппаратуры. Здесь необходимо привлечение и активных радиолокационных средств. Именно комплексное использование радиолокационных и СВЧ радиометрических средств лежит в основе пассивно-активного радиолокационного метода зондирования конвективных облаков, в частности определения водности их переохлажденных зон. В наиболее полном виде указанное комплексирование заключается в создании радиотехнических средств, позволяющих получать одновременно и из одних и тех же объемов среды отраженный радиолокационный сигнал и собственное радиотепловое излучение облачной атмосферы Пассивно-активные радиолокационные системы Применение радиолокационных и радиотеплолокационных методов в метеорологии является, несомненно, перспективным. Однако, применяемые порознь, эти методы имеют и определенные недостатки. Радиотеплолокационные методы, например, не позволяют определить пространственные размеры различных метеообразований и их дальность. В случае радиолокации недостатки связаны с неоднозначностью связей между отражаемостью и гидрометеопараметрами. Указанные недостатки можно преодолеть на основе совместного использования пассивных и активных радиолокационных методов, в частности посредством создания пассивно-активной радиолокационной станции (ПАРЛС) [57]. Такая станция представляет собой систему, состоящую из двух каналов: радиолокатора и микроволнового радиометра. Первый канал можно назвать активным, второй пассивным. При этом возможно как совместное построение каналов, сопряженных с одной общей антенной, так и раздельное. 101

102 Отметим, что, кроме всего прочего, дополнительным преимуществом введения в радиолокатор радиометрического канала является возможность осуществления с его помощью оперативной калибровки антенно-волноводного тракта радиолокатора и ориентирования антенны по радиоизлучению внеземных источников. Перспективными областями применения ПАРЛС являются зондирование атмосферных осадков и ветра в условиях открытого океана с борта летательных аппаратов, исследование ледяных покровов, определение влагозапаса почвогрунтов и параметров влагосодержания атмосферы, особенно при наличии кучево-дождевых облаков, и т. п. [176]. С точки зрения рассматриваемых нами задач, наиболее интересным является использование ПАРЛС для зондирования мощных конвективных облачных систем. Серьезной проблемой при создании ПАРЛС является обеспечение электромагнитной совместимости (или развязки) активного и пассивного каналов. Эта проблема обусловлена тем, что мощность радиолокационного импульса слишком велика по сравнению с высокой чувствительностью радиометрических приемников. Вследствие этого одновременная работа каналов, даже сопряженных с разными, но близко расположенными антеннами, невозможна без принятия специальных мер защиты микроволнового радиометра от мощного излучения радиолокатора. В целом можно выделить следующие основные направления конструирования ПАРЛС [57]. 1. Раздельное построение пассивного и активного каналов с взаимной синхронизацией (рис. 3.8). Модуляционный радиометр с собственной антенной синхронизован с активным радиолокатором, работающим вместе с ним. Во время излучения импульса локатора микроволновый радиометр подключается к согласованной нагрузке, а в остальное время к антенне. Высокий уровень развязки каналов в данной схеме возможен лишь при разнесении антенн этих каналов в пространстве. Однако это приводит к трудностям управления антеннами при наблюдении одного и того же пространственного объема. Такие же недостатки присущи и радиометру-скаттерометру, рассмотренному в [187]. 2. Совмещенное построение пассивного и активного каналов, сопряженных с одной общей антенной, но подключаемых к ней 102

103 попеременно (рис. З.9). Представленная радиометрическая система является по существу радиолокационным радиометром. Основное достоинство заключается в единстве конструкции, что позволяет использовать одни и те же функциональные элементы для обоих каналов. Прием радиотеплового излучения и отраженного радиолокационного импульса на одну антенну облегчает совместную интерпретацию результатов измерений. Недостатком таких систем является попеременность (неодновременность) работы пассивного и активного каналов. Это может оказаться недопустимым при исследовании быстро изменяющихся объектов, например конвективных облаков. Рис Функциональная схема ПАРЛС с раздельным построением каналов. 1 антенна пассивного канала; 2 антенна активного канала; 3 пассивный канал; 4 СВЧ радиометр; 5 синхронизатор; 6 радиолокатор Рис Функциональная схема ПАРЛС с двумя режимами работы. 1 антенна; 2, 3 переключатели; 4 передатчик; 5 приемник; 6 синхронизатор; 7 регистратор активного канала; 8 регистратор пассивного канала 103

104 3. Совмещенное построение пассивного и активного каналов, сопряженных с общей антенной и работающих практически одновременно (рис. 3.10). Это наиболее перспективный принцип построения ПАРЛС. На его основе создана рассмотренная в [80, 81] система, в которой проблема электромагнитной совместимости решена путем включения в антенный тракт устройства развязки каналов. Этим обеспечивается одновременность работы обоих каналов и прием информации из одних и тех же областей пространства. При этом нужно отметить, что повышение чувствительности радиометра в данной схеме построения ПАРЛС ограничивается потерями в самом устройстве развязки. Рис Функциональная схема ПАРЛС с поочередной (в пределах периода модуляции) работой каналов. 1 антенна, 2 устройство развязки, 3 радиолокатор, 4 синхронизатор, 5 СВЧ радиометр, 6 и 7 регистраторы Основные пути достижения высокой развязки между каналами, а также уменьшения потерь в устройстве развязки заключаются в следующем: в увеличении развязки каналов за счет использования высокочастотной части приемника активного канала в качестве приемной части пассивного канала и разделения сигнала между каналами после смесителя путем фильтрации; в сочетании коммутирующих элементов в активном канале и пассивных фильтров после смесителя; в сочетании коммутирующих элементов в антенно-волноводном тракте и активных фильтров, роль которых выполняет усилитель промежуточной частоты со специальными характеристиками; в сочетании коммутирующих элементов в антенно-волноводном тракте и в гетеродинном тракте пассивного канала. 104

105 Рассмотрим подробнее ПАРЛС. Она состоит из метеорологического радиолокатора МРЛ-2П, работающего на длине волны излучения λ = 3,2 см, и микроволнового радиометра с той же длиной волны. Электромагнитное совмещение обеспечено разделением периода посылок активного канала на два интервала: первый для приема отраженного радиолокационного сигнала и второй для приема собственного радиотеплового излучения исследуемого объекта. При этом сам локатор МРЛ-2П работает в режиме, практически не отличающемся от стандартного. Конструктивно пассивный канал ПАРЛС размещен в двух стандартных блоках, расположенных в аппаратной кабине МРЛ- 2П. Регистрирующая аппаратура и система управления антенной находятся в операторской кабине локатора. 4. В [94, 165] рассматривается вариант ПАРЛС, в котором СВЧ-радиометрическое устройство (РМУ) устанавливается вблизи фокуса зеркала антенны МРЛ-5. В данном варианте не используется приѐмо-передающая система радиолокатора (рис. 3.11). Рис Схема подключения радиометра За счет минимальной длины волноводного тракта происходит увеличение чувствительности пассивного канала. В качестве основы СВЧ радиометра использован стандартный конвертор спутникового телевидения на f = 11,2 ГГц, обеспечивающий развязку по частоте с активным каналом (f = 9,595 ГГц). Предпринятый ряд технических решений позволил добиться чувствительности пассивного канала около 0,05 ºК, что обеспечило работу ПАРЛС в штатном режиме обзора пространства. 105

106 Средняя водность переохлажденной зоны мощного конвективного облака в направлении зондирования ω 0 оценивается с помощью соотношения 106 ( ) ( ) ( ), (3.12) где L(ω 0 ) протяженность зондируемой зоны. При использовании пассивно-активного радиолокационного метода водозапас определяется с помощью пассивного канала ПАРЛС (радиометра), а протяженность зондируемой зоны облака с помощью активного канала (радиолокатора). В [176] было показано, что оптимальной длиной волны для радиотеплолокационного определения водозапаса паса Cu cong. и переохлажденных зон изолированных Cb является λ = 3 см, и отмечалось, что по этой причине разработанный макет ПАРЛС имеет рабочую длину волны λ = 3,2 см. Здесь же на основании выполненных расчетов сделан вывод о том, что максимальная дальность обнаружения конвективных облаков с поверхности земли изменяется примерно от 10 км для стадии зарождения (на λ = 0,3 см) до ~200 км для переохлажденных зон Cb (в длинноволновом участке спектра). Что касается активного канала, то здесь дело обстоит гораздо сложнее. В [177] приведены результаты оценочных расчетов максимальной дальности радиолокационного обнаружения недождевых облаков, выполненных на основе уравнения радиолокации облаков и осадков для случая некогерентного рассеяния. Расчеты произведены в предположении постоянства водности облака вдоль направления зондирования и отсутствия экранирующих осадков на трассе. Оказалось, что максимальная дальность радиолокационного обнаружения недождевых облаков с помощью МРЛ-1 (а значит, и МРЛ-2П) на сантиметровом канале ограничивается км. Таким образом, на пассивном канале облака Cu cong. и переохлажденные зоны Cb обнаруживаются лучше и дальше, чем на активном. В этом, в частности, проявляются преимущества радиотеплолокации. Однако, имея в виду перспективные варианты ПАРЛС (с более оптимальными характеристиками активного канала), будем считать, что в зоне действия станции Cu cong. и переохлажденные зоны Cb можно обнаружить как на пассивном, так и на активном канале.

107 Для ориентировочной оценки относительной погрешности определения ω с помощью ПАРЛС воспользуемся простой формулой, полученной на основе выражения (3.13):, (3.13) где = ΔW/W и ΔL/L относительные погрешности определения водозапаса и протяженности зондируемой зоны. Что касается водозапаса, то, как было показано в предыдущем параграфе, погрешность его определения с помощью пассивного канала ПАРЛС составляет 5 20 %. Оценим теперь погрешность определения протяженности зондируемых зон с помощью активного канала. В [177] подробно рассмотрен вопрос о радиолокационном определении высоты нижней и верхней границ облаков. В результате многочисленных экспериментов оказалось, что при вертикальном зондировании на относительно большом удалении или при обнаружении на малом удалении мелкокапельных облаков без осадков происходит завышение положения нижних облачных границ. Верхняя граница Сu cong. и Сb определяется с помощью МРЛ с занижением. В [177] приведены значения вероятной погрешности определения высоты границ облаков с помощью МРЛ-1. Эта погрешность для нижней границы на удалении до 12 км составляет 160 м, а для верхней границы на расстоянии до 20 км 520 м. На расстояниях до км вероятная погрешность определения высоты границ облаков возрастает до 960 м. Для выполнения наших оценок вполне можно считать погрешность радиолокационного определения положения передней кромки зондируемой зоны равной погрешности определения высоты нижней границы облака, а погрешность определения положения задней кромки равной погрешности определения высоты верхней границы. Очевидно, что в целом радиолокатор дает заниженное значение протяженности зондируемой зоны, т.е. как бы сужает ее. Исходя из приведенных выше значений вероятной погрешности определения высоты границ облака, получим, что такое сужение может достигать 0,7 2 км в зависимости от расстояния до облака. В связи тем, что наиболее вероятные значения горизонтальной протяженности Сu cong. и переохлажденной зоны Сb составляют 3,5 и 30 км соответственно, получим, что равняется 107

108 0,2...0,6 для Cu cong и 0,02 0,07 для Cb. Это позволяет оценить относительные погрешности определения средней водности с помощью ПАРЛС [см. формулу (6.29)], которые оказываются равными приблизительно % для Сu cong 7 30 % для переохлажденных зон Cb. Таким образом, с помощью ПАРЛС при зондировании с поверхности земли можно оценивать среднюю водность мощных кучевых облаков с относительной погрешностью не более 80 %, а переохлажденных зон Сb не более 30 % Экспериментальные исследования водозапаса и водности конвективных облаков Экспериментальные исследования конвективных облаков на разных стадиях их развития проводились на ПЭБ пос. Тургош Ленинградской области с помощью средств пассивной и активной радиолокации. Для обнаружения грозовых облаков использовались: радиолокационная станция (РЛС) метрового ( = 200 см) и дециметрового ( = 10 см, = 35 см) диапазонов, способные фиксировать ионизированные каналы молний типа облако земля и облако облако [178]; радиопеленгаторы дальномеры типа ПАГ-1, Очаг-2, Jmpact (USA); РЛС сантиметрового диапазона типа МРЛ-1 ( = 3,2 см), позволяющая обнаруживать облака и осадки и устанавливать параметры их радиоэхо; пассивно-активная радиолокационная станция на базе МРЛ-2 ( = 3,2 см). Характеристики влаго-водосодержания облаков измеряются с помощью 2-х канального СВЧ-радиометра (0,8 и 1,4 см) и пассивно-активной радиолокационной станции (ПАРЛС), включающей СВЧ-радиометр, встроенный в метеорологический радиолокатор, работающий на = 3,2 см. Для обнаружения ионизированных каналов молний используются РЛС с длинами волн 11, 35 и 200 см. Одновременная работа этих средств по одному облаку дает возможность исследовать микрофизические свойства тех областей мощных конвективных облаков, в которых происходит генерация

109 электрических зарядов, их разделение и появление сильноточных разрядов молний. Методика проведения одновременных наблюдений с помощью СВЧ-радиометрического комплекса аппаратуры и радиотехнических средств (РТС), обнаруживающей грозовые облака состояла в следующем: в дни, когда в утренние часы отмечались большие значения влагозапаса, МРЛ-1 следила за ростом верхней границы (Нвг) облаков и их отражаемостью (lgz); когда Н вг достигала 7 км, а lgz ~ 2, включались РЛС обнаружения каналов молний и грозопеленгаторы; обнаружение молниевых разрядов в радиусе ~100 км позволяет считать, что в этот день имело место развитие грозовых облаков. В этом эксперименте не рассматривалось продолжительность молниевой активности облаков и количество возникающих в них разрядов; СВЧ-радиометрические исследования в диапазонах 8,2 мм и 3,2 см, выполненные с помощью радиометров, работающих совместно с метеорологическим радиолокатором = 3,2 см, позволяли определять водозапас грозовых облаков в переохлажденной части облака, а также оценивать среднюю водность облака ( ) конвективного облака в направлении визирования l [159, 180]: Схема пассивно-активного зондирования атмосферы, содержащей конвективное облако, представлена на рис Влагозапас атмосферы и водозапас облаков в зенитном направлении в случае слоистообразных облаков, а также конвективных (Cu hum, Cu med) определялись по регрессионной методике из абсолютных измерений радиояркостных температур нисходящего излучения на длинах волн λ 1 = 14 мм, λ 2 = 8,2 мм. СВЧ-радиометрические наблюдения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, выполненные на полевой экспериментальной базе (п. Тургош, Ленинградской области), позволили рассмотреть данные этих измерений в дни, когда развивались внутримассовые или фронтальные грозовые облака. Для обнаружения и оценки водозапаса конвективных облаков использовались СВЧ-радиометрические измерения оптической толщины облака на длинах волн = 8 мм и = 3,2 см по методике относительных азимутальных разрезов [176, 275]: 109

110 ( ) { ( ) [ ( )] }, (3.14) где ( ) вариации радиояркостной температуры относительно участка безоблачной атмосферы; среднеклиматическое значение эффективной температуры безоблачной атмосферы; θ угол места; υ азимут; τ Q, τ K оптическая толщина водяного пара и кислорода в зенитном направлении (среднеклиматические значения), соответственно. Соотношение получено в предположении, что эффективные температуры облачной и безоблачной атмосферы равны. Погрешность определения τ W (θ) зависит от водозапаса облака, погрешности оценки эффективной температуры, погрешности измерения радиояркостной температуры и т.д. Как показано в [159] для каждой стадии конвективного облака может быть выбран диапазон длин волн, в котором погрешность оценки τ W (θ) будут наименьшими, составляя %. На стадии развития Cu med оптимальной является = 8 мм, а на стадии Cu cong, Сb = 3,2 мм. Рис Схема пассивно-активного зондирования атмосферы, содержащей конвективные облака 110

111 Результаты выполненных экспериментальных (средствами активной и пассивной локации) исследований атмосферы в период развития конвективных облаков в Ленинградской области отражены в табл. 3.6, где представлены средние значения влагозапаса атмосферы в зенитном направлении и средние квадратические отклонения влагозапаса (CKО), рассчитанные для трех выборок: а) за весь период исследований (вторая половина июля-начало августа гг.); б) в период, когда конвективные облака достигали стадии (Сu hum, Cu med) с водозапасом W 1,5 кг/м 2 ; в) в период, когда развивались мощные конвективные облака (Сb) [с верхней границей Н вд = (6 10) км] или грозовые облака (Сb г) (использовались данные за 26 дней, когда развивались грозовые облака). Таблица 3.6 Период, место Тип облаков Q, кг/м 2 СКО(Q), кг/м 2 Июль 1993 г., п. Воейково Июль 1994 г., п. Тургош Июль 1995 г., п. Тургош Сu Сb Сu Сb г Сu Cb г Июль 1996 г., п. Тургош Сb г 26,54 22,40 29,33 25,66 20,25 30,32 20,11 16,54 29,83 22,81 29,10 4,77 1,97 2,99 6,15 2,31 3,63 5,91 1,93 3,10 4,66 1,29 Как видно из табл. 3.6, в периоды развития мощной конвективной облачности с грозами Cb г отмечались высокие значения влагозапаса атмосферы, близкие к максимальным за период исследований. Анализ средних за 6-часовой период влагозапаса атмосферы показывает, что в дни когда наблюдалось развитие грозовых облаков и отмечалась электрическая активность влагозапас атмосферы составлял Q > Q R 25 кг/м 2. В качестве примера на рис показан временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в зенитном направлении, полученных СВЧ-радиометрическим методом в период интенсификации грозовой активности в период июля 1996 г. в Ленинградской области (п. Тургош). На рисунке также отмечены пе- 111

112 риоды когда, радиолокатор МРЛ-2 и РТС обнаруживали развитие конвективных облаков и электрических разрядов. 50 Влагозапас атмосферы, кг/м Cb Cb Cb Время, час 1996/07/25, 19:00 Рис Временной ход влагозапаса атмосферы в период развития мощных конвективных облаков июля 1996 г. (п. Тургош Ленинградской области). Вертикальная прямая период, когда РТС обнаруживали грозовую активность Видно, что в периоды, когда отмечалась высокая электрическая активность 25 июля около 23 ч, 27 июля около 16 и 19 ч, 28 июля около 19 ч наблюдались высокие значения влагозапаса атмосферы (30 35) кг/м 2. Данный пример также демонстрирует вариации влагозапаса в районе грозового облака. 27 июля грозовые облака наблюдались на удалении около 5 км, при этом с подветренной стороны грозовых облаков влагозапас облаков составлял кг/м 2, в то время как с наветренной стороны облака отмечались низкие значения влагозапаса (12 14) кг/м 2. Выполненные эксперименты показали, что вариации влагозапаса атмосферы в конвективном облаке значительно превышают уровни вариаций, наблюдаемых в фоновой атмосфере, а вариации влагозапаса атмосферы в окрестности мощного грозового облака могут составлять 80 %. В окрестностях мощного конвективного облака обнаруживаются значительные мезомасштабные вариации влагозапаса атмосферы, которые в случаях развития грозового облака превышали 112

113 50 % среднего значения. Влагозапас атмосферы может использоваться в качестве одного из предикторов условий развития конвективной облачности наряду с температурой, стратификацией ветра, синоптической обстановкой и т.д. [130, 131]. Для изучения пространственно-временной изменчивости характеристик влагосодержания атмосферы, облаков и осадков также использовались данные наблюдений с помощью автоматизированных СВЧ-радиометра (частоты 22,2 ГГц и 36,5 ГГц) и радиолокатора МРЛ-5, установленных в п. Воейково, Ленинградской области. Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков июня 2006 г. показан на рис /06/ /06/ /06/ /06/2006 влагозапас атмосферы водозапас облаков 2.0 Влагозапас атмосферы, кг/м Cb Cb Водозапас облаков, кг/м День года 0.0 Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по данным СВЧ-радиометрических измерений июня 2006 г. (п. Воейково) Как следует из рисунка, в период с 21 по 23 июня по СВЧрадиометрическим данным влагозапас атмосферы изменялся в интервале кг/м июня МРЛ-5 обнаруживает развитие облаков с верхней границей до км, площадь радиоэха превышала 400 км 2, а максимальные значения логарифма радиолокационной отражаемости составляли lgz 3,2. Влагозапас атмосферы в этот период составлял около 30 кг/м июня по данным радиолокационного зондирования МРЛ-5 высота верхней границы облаков составляла до 12 км, при этом максимальные значения лога- 113

114 рифма радиолокационной отражаемости составляли lgz >3 (рис. 3.15). Влагозапас атмосферы в этот период составлял около 30 кг/м июня зарегистрировано уменьшение уровня влагозапаса атмосферы до 10 кг/м 2, обусловленное прохождением холодного фронта. 114 Рис Карта радиолокационной отражаемости МРЛ-5 (п. Воейково) в 12 ч 30 мин 23 июня 2006 г. В качестве примера на рис приводятся результаты комплексных исследований атмосферы в период наблюдения аномального грозового фронта 14 июля 2008 г. в п. Воейково Ленинградской области. По радиолокационным данным (МРЛ-5, п. Воейково) первые грозовые очаги зарегистрированы около 15 ч (GMT) в районе Кингисеппа-Луги. Облачная система развивалась, перемещаясь в северо-восточном направлении. Максимальные значения верхней границы облаков составляли около 13 км. Максимальные значения логарифма радиолокационной отражаемости более 3,2 дб. Площадь радиолокационной отражаемости более км 2. Около 18 ч 50 мин фронт проходил через Воейково (рис. 3.16, с). Профили метеопараметров температуры и влажности атмосферы в 12 ч 14 июля и в 00 ч 15 июля показаны на рис. 3.16, б).

115 Общее влагосодержание составляло 29,27 мм в предгрозовой период в 12 ч 14 июля и 25,65 мм после прохождения фронта в 00 ч 15 июля. После фронта отмечается понижение температуры в приземном слое атмосферы на 3 7 о С, градиент температуры составлял 5 град/км. СВЧ-радиометрические наблюдения позволили определять влагозапас атмосферы и водозапас облаков: в течение 14 июля отмечался рост влагозапаса атмосферы, во второй половине дня в окрестности грозового фронта влагозапас атмосферы составлял кг/м 2 (рис. 3.16, а). По данным ИК-радиометра Метеосат-9 (рис. 3.21, д), видна обширная зона облачности над Ленинградской областью, распространяющаяся в северо-восточном направлении, температура наковальни конвективного облака составляла минус о С РМК-ВЗА (22-36ГГц) Влаго-водозапас атмосферы Воейково,2008 ВЗО, мм ВЗА, мм Грозовой фронт День года а б с д Рис Временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в период прохождения грозового фронта 14 июля 2008 г. в п. Воейково (а); профили температуры и влажности атмосферы в п. Воейково по данным радиозонда до и после грозового фронта (б); радиолокационная отражаемость МРЛ-5 (п. Воейково) (с); ИК-изображение Метеосат-9 (д) 115

116 Определение водозапаса мощных кучевых облаков осуществлялось с помощью относительного метода азимутальных разрезов. Скорость азимутального сканирования антенны выбиралась такой, чтобы время ее поворота на угол, равный ширине диаграммы направленности, было не менее постоянной времени радиометра. Для контроля изменения водозапаса в процессе естественной эволюции мощных кучевых облаков выполнялись их частые разрезы. Для того чтобы уровень, на котором выполняются разрезы исследуемого облака по горизонтали, не смещался при его движении, угол места азимутального сканирования непрерывно уточнялся с помощью теодолита. Для иллюстрации полученных результатов рассмотрим конкретный пример зондирования Cu cong. 20 июня 1979 г., в Крыму (13 ч 15 мин 13 ч 45 мин). В этот день над территорией Крыма проходил холодный фронт, перед которым наблюдалась интенсивная конвекция с образованием мощных кучевых и кучеводождевых облаков. Результаты радиотеплолокационного зондирования указанного фронтального мощного кучевого облака приведены на рис На графиках (а е) этого рисунка изображены азимутальные профили водозапаса (в также оптической толщины жидкокапельной влаги), причем первые четыре профиля получены в результате измерений при угле места β 0 = 14,5 о, а остальные два при β 0 = 18,5 о. Эти данные отражают эволюцию Cu cong. В промежутке времени 13 ч 16 мин 13 ч 35 мин наблюдается сравнительно узкая область (3-я ячейка) с большим водозапасом: его максимальное значение в центре этой ячейки достигает 5 6 кг/м 2. Кроме того, в этот промежуток времени наблюдаются еще две ячейки (1-я и 2-я) с существенно меньшим водозапасом. Позднее 3-я ячейка распадается и в 13 ч 44 мин 13 ч 54 мин исчезает совсем. В то же время 1-я и 2-я ячейки растут, причем рост 1-й ячейки наблюдается и на более высоком уровне (β 0 = 18,5 о ). Приблизительно с 14 ч 2-я ячейка также начинает распадаться. Такая многоячейковость распределения водозапаса Cu cong соответствует современным представлениям о структуре и динамике мощных кучевых облаков. В [193] отмечается, что вершины Cu cong обычно состоят из нескольких куполов, которые являются 116

117 Рис Результаты радиотеплолокационного зондирования Cu cong 20 июня 1979 г. в Крыму (Золотое поле). а г азимутальные профили τ W и W, полученные на β 0 = 14,5 o ; д, е азимутальные профили τ W и W, полученные на β 0 = 18,5 о ; ж изолинии водозапаса (кг/м 2 ) Cu cong. 117

118 верхней частью наиболее крупных внутриоблачных элементов конвекции. Из анализа результатов радиотеплолокационного зондирования Cu cong видно, что для каждой отдельной ячейки характерен индивидуальный жизненный цикл. Значения водозапаса в ячейке, как следует из вышеизложенного, могут достигать 6 кг/м 2, что согласуется с оценками вероятных значений W 0 для мощных кучевых облаков. В то же время, это значение приблизительно в два раза меньше водозапаса в грозовых ячейках, где W достигает 10 кг/м 2, наблюдавшихся В. Деккером и Е. Даттоном [236]. Выполнение более частых по углу места азимутальных «разрезов» позволяет построить карту изолиний водозапаса. Такая карта для промежутка времени 13 ч 50 мин 14 ч 00 мин показана на рис. 3.17, ж. Время усреднения значений составляет 10 мин. «Разрезы» ниже 12 º выполнить не удалось, поэтому показана лишь верхняя часть облака. На приведенной карте отчетливо выделяются две ячейки (1-я и 2-я на рис. 3.17, а е) повышенного содержания жидкокапельной влаги. Максимальный водозапас обеих ячеек составляет 3 кг/м 2. Размеры ячеек определить невозможно, так как расстояние до облака не измерялось. Обращает на себя внимание наличие области между ячейками, водозапас которой близок к нулю (по крайней мере, не превышает 0,5 кг/м 2 ). Это согласуется с гипотезой, высказанной П. Сквайерсом [174], согласно которой, сухой воздух, расположенный у вершины облака, охладившись за счет испарения, может «провалиться» в облако на значительную глубину, что подтверждается и наблюдением «просветов», или областей с нулевой водностью внутри кучевых облаков [241, 369]. На рис приведены результаты проведенного 13 августа 1980 г. зондирования визуально наблюдавшегося на территории Ленинградской области мощного кучевого облака при β 0 = 9 о. Различаются все три стадии эволюции облака: стадия развития (формы Сu hum, Cu med) с 19 ч 17 мин до 19 ч 33 мин, стадия зрелости с 19 ч 44 мин до 19 ч 54 мин и стадия диссипации с 19 ч 58 мин до 20 ч 04 мин. Весь жизненный цикл составляет приблизительно 50 мин. Значение водозапаса на начальной стадии эволюции было равно 0,5 кг/м 2, что типично для форм Сu hum и Cu med. В стадии зрелости водозапас достиг 2 кг/м 2. Это значение характерно для мощных кучевых облаков в Ленинградской области. 118

119 Рис Изменение водозапаса мощного кучевого облака в процессе его естественной эволюции 13 августа 1980 г. (Ленинградская область) Распределение водозапаса в горизонтальном сечении этого облака имеет вид колоколообразных кривых с максимумом, смещенным к передней, подветренной стороне облака. Перемещение облака проявляется на рис в смещении кривой азимутального распределения его водозапаса. Этот рисунок наглядно демонстрирует хорошие возможности регистрации различных стадий эволюции мощных кучевых облаков радиотеплолокационным методом. На рис приведены кривые азимутального распределения водозапаса, полученные 13 августа 1980 г. (17 ч 28 мин 18 ч 08 мин) при зондировании Си cong на разных углах места. Эти данные позволяют судить о пространственном распределении водозапаса. В нижнем сечении облака (β 0 = 10 º) кривая распределения водозапаса имеет пилообразный вид с максимумом, равным 1,1 кг/м 2. В сечении β 0 = 13 º наблюдается широкая область со сравнительно однородным распределением водозапаса, равным 1 1,4 кг/м 2. В третьем сечении (β 0 = 16 º) имеется ячейка с повышенным содержанием жидкокапельной влаги. Ее водозапас достигает 2,7 кг/м 2. Последующее зондирование этого облака, выполненное под углом места β 0 = 16 º, при котором зафиксирован максимальный водозапас, показало, что облако вступило в стадию диссипации. Это отчетливо видно на рис. 3.19, б. Так, в течение 21 мин водо- 119

120 запас ячейки уменьшился более чем в 2 раза. В 18 ч 07 мин облако фактически распалось. Рис Результаты радиотеплолокационного зондирования Cu cong. 13 августа 1980 г. а азимутальные профили водозапаса в облаке, полученные при различных углах места β 0 : 1 10 о, 2 13 о, 3 16 о, б азимутальные профили водозапаса, полученные при β 0 = 16 о в различные моменты времени (1 17 ч 43 мин, 2 17 ч 54 мин, 3 17 ч 58 мин, 4 18 ч 04 мин) Интересной задачей является исследование распределения водозапаса в поле внутримассовых кучевых облаков. В табл. 3.7 приведены результаты подобного исследования, полученные при зондировании 27 кучевых облаков в течение одного дня, когда наблюдалось типичное поле Cu (Cu hum, Cu med, Cu cong.). Облака для зондирования выбирались случайным образом. Недостаточность объема выборки не позволяет сделать статистически обоснованные выводы. Можно лишь отметить, что в данной выборке наиболее часто встречаются ячейки с водозапасом 0,5 1 кг/м Таблица 3.7 Распределение водозапаса в поле внутримассовых кучевых облаков W, кг/м 2 0 0,5 0, ,5 1,5 2 Число ячеек В качестве примера радиотеплолокационного зондирования Сb на λ = 3,2 см рассмотрим результаты исследования кучеводождевого облака за 6 августа 1980 г. Пять азимутальных разрезов, выполненных при одном угле места β 0 = 5 º в течение примерно 25 мин, позволили построить азимутально-временную карту изолиний водозапаса (рис. 3.20).

121 Рис Азимутально-временная карта изолиний водозапаса (кг/м 2 ) за 6 августа 1980 г. (Ленинградская область) Эта карта наглядно показывает трансформацию азимутального распределения водозапаса с течением времени. На ней четко выделяются две ячейки с большим водозапасом. За период наблюдений с 15 ч 43 мин до 16 ч 06 мин левая ячейка сужается, а ее максимальный водозапас уменьшается от 66 до 38 кг/м 2 (большие значения W объясняются тем, что водозапас рассматривается не в вертикальном, а фактически в горизонтальном направлении, протяженность системы в котором может быть весьма значительной). В правой ячейке в течение первых 10 мин максимальный водозапас возрастает от 32 до 44 кг/м 2, а затем быстро уменьшается до 17 кг/м 2. Это свидетельствует о начале разрушения облака. На рис представлен временной ход максимального W max и среднего W значений водозапаса для горизонтального сечения, соответствующего уровню азимутального сканирования, для кучевого-дождевого и двух мощных кучевых облаков, рассмотренных нами ранее. Как уже отмечалось, второе облако Cu cong. и облако Cb находились на стадии диссипации. В обоих случаях происходит уменьшение как W, так и W max (см. рис. 3.21, б, в). Кривые изменения W и W max а для первого мощного кучевого облака (см. рис. 3.21, а) можно разбить на три участка, соответствующие трем стадиям эволюции облака. На стадии зрелости t = мин (на рис время для удобства отсчитывается от начала наблюдений) происходит более медленное изменение W и W max, чем на стадиях роста и диссипации. 121

122 122 Рис Временные изменения среднего W (1) и максимального W mах (2) значений водозапаса в горизонтальном сечении облака по наблюдениям в Ленинградской области в 1980 г. а Cu cong (13 августа, β 0 = 9 º), б Сu cong (13 августа, β 0 = 16 º), в Сb (6 августа, β 0 = 5 º) Результаты, приведенные на рис. 3.21, позволяют оценить скорость изменения среднего и максимального значений водозапаса конвективных облаков на разных стадиях их развития. 3начения этой скорости приведены в табл Скорость уменьшения W и W max на стадии диссипации в случае Cb более чем на порядок превышает аналогичную скорость для Cu cong. Скорость изменения водозапаса первого Cu cong. на стадии роста и диссипации одинаковая. Во время экспериментов излучение кучевых облаков на λ = 0,86 см надежно регистрировалось при их удалении от антенны примерно до 30 км.

123 Таблица 3.8 Значения скорости изменения среднего и максимального водозапаса (кг м 2 мин 1 ) в сечении конвективных облаков Облако Характеристика Стадия развития рост зрелость диссипация Сu cong, β 0 =9 о W max W 0,07 0,02 0,01 0,01 0,07 0,02 Сu cong, β 0 =16 о W max W 0,10 0,03 Сb, β 0 =5 о W max W 1,5 1,0 Таким образом, результаты выполненных экспериментальных исследований доказывают перспективность дистанционного определения водозапаса конвективных облаков и изучения его пространственно-временной изменчивости на основе применения методов пассивной радиолокации. Наиболее эффективны эти методы при изучении водозапаса конвективных облаков Сu cong и Сb, представляющих наибольший интерес для активных воздействий на них с целью регулирования осадков и электрической активности, в то время как полеты в этих облаках практически невозможны. В качестве примера на рис приводится временная серия из 5 последовательно полученных карт водозапаса конвективного облака (азимут: = , угол места: = ), восстановленная по СВЧ-радиометрическим измерениям на двух длинах волн 0,8 см и 3,2 см. Наблюдения проводились 5 августа 1996 г. в Ленинградской области (п. Тургош). Данный пример отражает эволюцию кучеводождевого облака на стадии диссипации: на картах, полученных в 18 ч 41 мин и в 18 ч 48 мин отчетливо выделяются две ячейки водозапас которых составлял кг/м 2, которые в 18 ч 55 мин трансформировались в одну ячейку с водозапасом около 8 кг/м 2, в 19 ч 01 мин максимальные значения водозапаса составляли кг/м 2, в 19 ч 08 мин облако практически диссипировало, а водозапас не превышал 0,5...2 кг/м 2. В переохлажденной части мощного конвективного (грозового) облака фиксируются большие угловые 123

124 ВРЕМЯ: 18:41: Водозапас [кг.м2] 18:48: :55: :01: Рис Временная серия карт водозапаса кучево-дождевого облака по СВЧ-радиометрическим измерениям на длинах волн λ 1 = 8,2 мм, λ 2 =3,2 см 5 августа 1996 г. (п. Тургош, Ленинградская область) градиенты радиояркостной температуры (порядок величины на 1 угловой градус). В течение периода существования конвективного облака тесной взаимосвязи между максимумами отражаемости и переохлажденной влаги не наблюдается. Она наиболее выражена на стадии роста конвективного облака (Cu Cong) в его верх :08: Азимут, [град.] Угол места, [град.]

125 ней части. В стадии кучево-дождевого облака эта взаимосвязь нарушается. Полученные в Ленинградской области данные о краткопериодных вариациях грозовой активности дают основание считать, что усиление поступления в верхнюю половину облака в восходящем потоке влажного и более теплого воздуха из приземного слоя способствует подъему на значительную высоту капель большого диаметра, полное замерзание которых во время периодического ослабления восходящего потока приводит к выделению сопровождающей этот фазовый переход энергии, которая, по-видимому, и формирует вариации числа грозовых разрядов. На существование локальных зон жидкокапельной влаги в верхней части мощных конвективных облаков указывают полученные нами данные о максимумах радиояркостной температуры ( = 3,2 см), имеющих в этой части облака размер менее 1 км и период существования несколько минут. В качестве иллюстрации этих процессов на рис. 3.23а представлены результаты исследования грозового облака 10 июля 1991 г. [196]. Вертикальные профили отражаемости Z(H) и водности w(h) облака приведены для периодов роста, пика и ослабления его грозовой активности (рис. 3.23а). Облако исследовалось в течение 60 мин, включая 40 мин в период грозы. За время грозы профили Z(H) и w(h) имели явно отличающуюся форму с несовпадающими максимумами. Кроме того, данная конвективная ячейка высотой 10 км имела несколько максимумов водности и размеры 1 3 км: на высоте 1 2 км (очевидно, связанный с осадками) и на высоте 4 5 км. Подсчитанное за 5-минутный интервал для каждого из трех профилей Z(H) и w(h) число молний составило соответственно 4, 18 и 1. Соответствующие значения w для этих периодов грозовой активности облака составили 0,07, 0,25 и 1,2 г/м 3 (расчеты выполнены в приближении релеевского рассеяния для ансамбля однородных частиц). Очевидно несовпадение максимумов числа разрядов и водности облака. Количество водяных частиц в переохлажденной части облака увеличивается к окончанию грозы. В грозовом облаке 13 июля 1992 г. наблюдалось также интересное явление. В период грозы на высоте 9 км в облаке появился максимум водности w макс со значением 0,77 г/м 3 и размером 1 км, который просуществовал 125

126 менее 5 мин (рис. 3.23б). Это видно из трех профилей w(h), полученных при вертикальных разрядах по соседним азимутам (с интервалом 1 о ). Из проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы: пространственно-временная эволюция максимумов водности и отражаемости происходит по-разному; отсутствует временная корреляция максимумов числа разрядов и водности облака. Более того, пик грозовой активности происходит при относительно небольших значениях водности облака, что, по-видимому, свидетельствует в пользу механизма электризации ледяные кристаллы крупа ; максимумы переохлажденной влаги в верхних частях облаков (на высотах 7 9 км) имеют малые размеры и кратковременны. Очевидно, сильным восходящим потоком некоторая часть переохлажденных капель была поднята на эту высоту, где через короткое время кристаллизовалась. 10 а) 10 б) Высота, км w lg Z lg Z 1 0 w lg Z lg Z Рис. 3.23а. Высотные профили отражаемости Z(H) и водности w(h) на различных стадиях развития грозового облака: в период роста (1), максимума (2) и убывания (3) молниевых разрядов 10 июля 1991 г w, г/м w, г/м Рис. 3.23б. Высотные профили отражаемости Z(H) и водности w(h) грозового облака для трѐх азимутов с дискретностью 1 градус (1, 2, 3) 13 июля 1992 г. 3

127 Таким образом, экспериментальные данные показывают, что мощное конвективное (грозовое) облако представляет собой очень динамичный объект, микрофизические свойства которого постоянно изменяются с вариациями скорости восходящих потоков. Влагозапас атмосферы и водозапас облаков в период мероприятий по метеозащите С.-Петербурга мая 2003 г. Мероприятия по метеозащите крупных городов как неотъемлемую часть предполагают оценку эффективности АВ на облака. Обычно для этих целей привлекаются средства дистанционного зондирования атмосферы. Особенностью мероприятий по метеозащите С.-Петербурга, проводившейся мая 2003 г., было использование наряду с радиолокационной информацией, отражающей пространственно-временную эволюцию облаков и осадков, СВЧ-радиометрической информации о содержании как жидкокапельной влаги в облаках, так и парообразной влаги в атмосфере. На рис приводится временной ход влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков 31 мая 2003 г. в п. Воейково. Видно, что в период времени с 12 ч до 16 ч влагозапас атмосферы оставался неизменным около 10 кг/м 2, с 16 ч 10 мин до 16 ч 30 мин зафиксировано быстрое увеличение влагозапаса до 14 кг/м 2, далее до 18 ч 40 мин рост влагозапаса продолжился до уровня 17,5 кг/м 2, с 18 ч 40 мин до 20 ч отмечается уменьшение влагозапаса до 13 кг/м 2, с 22 ч до 24 ч влагозапас увеличился до 15 кг/м 2. Таким образом, рост водозапасов облаков отмечался после 17 ч 30 мин, при этом с 17 ч 30 мин до 19 ч водозапас облаков достигал наибольших значений. Максимальные значения водозапаса облаков, отмеченные в 18 ч 37 мин, составляли 0,26 кг/м 2, среднее значение водозапаса облаков за период с 18 ч до 20 ч составило 0,06 кг/м 2. Одновременно проводимые радиолокационные наблюдения на МРЛ-5 (длина волны 3,2 см) позволили установить, что с 16 ч 40 мин до 18 ч 40 мин наблюдался рост геометрических размеров облаков, возникновение новых зон облаков, а также рост верхней границы облаков до 5 7 км. Необходимо также отметить, что характерные размеры области повышенного влагозапаса атмосферы, оцененные в предположении замороженной турбулентности при средней скорости переноса неоднородностей в атмо- 127

128 сфере около 35 км/ч, согласуются с горизонтальными размерами около 70 км радиоэха МРЛ-5 на стадии максимального развития облачности Воейково, 31/05/2003 Водозапас облаков Влагозапас атмосферы Влагозапас атмосферы, кг/м Водозапас облаков, кг/м Рис Временная изменчивость влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков по данным СВЧ-радиометра 22,23 ГГц и 36,5 ГГц 31 мая 2003 г. п. Воейково Время, час Определение профиля водности в облаках и интенсивности осадков методами пассивно-активной радиолокации Для оценки водности облаков и интенсивности жидких осадков исследована возможность использования результатов совместных пассивно-активных радиолокационных измерений. Приведено соотношение для определения водности облаков (осадков), в котором радиолокационная отражаемость является весовой характеристикой в распределении интегрального водозапаса по лучу визирования. Экспериментальные исследования показали, что применение комплексного пассивно-активного радиолокационного зондирова-

129 ния облаков и осадков позволяет при одинаковой радиолокационной отражаемости выделять очаги с различной водностью (интенсивностью). Это обусловлено тем, что для оценки водности используется не жесткая связь между z и w, а связь, устанавливаемая на основе результатов пассивно-активных радиолокационных измерений. Методы радиотеплолокации, основанные на приеме собственного теплового излучения, позволяют определять интегральные характеристики содержания жидкокапельной влаги в облаках и осадках [176, 197]. В работах [157, 158] показан подход к решению обратной задачи определению распределения водности облаков и интенсивности осадков с использованием данных пассивной и активной радиолокации. Основанием для этого является зависимость от спектра размеров капель как радиолокационной отражаемости, так и коэффициента поглощения (радиояркостной температуры). В данном разделе изложены результаты численного эксперимента по учету влияния различных участков спектра размеров капель на радиолокационную отражаемость и водность, которые подтверждают целесообразность использования результатов комплексных измерений для оценки водности облаков и осадков. Приведены результаты экспериментальных исследований при помощи пассивно-активного радиолокационного комплекса. В наиболее общем виде спектры частиц в облаках и осадках могут быть описаны гамма-распределением вида n(r) = ar μ е -βr, (3.15) где r радиус капель; μ и β параметры гамма-распределения. Как известно, в образовании радиоэха облаков и осадков существенную роль играют наиболее крупные капли, несмотря на их малую концентрацию. В [166] получены количественные оценки относительного вклада q капель различных участков спектра в радиолокационную отражаемость z и концентрацию капель N, которые приведены в таблице. Нами были сделаны аналогичные расчеты для водности по формуле q w (r > r m ) a βr r μ+3 r rm a βr r μ+3 r результаты которых также помещены в табл (3.16) 129

130 130 Таблица 3.9 Значения величин относительного вклада q μ q z (r > r w m) 0,973 0,954 0,940 0,935 0,930 q w (r > r w m) 0,654 0,635 0,616 0,604 0,595 q N (r > r w m) 0,045 0,090 0,131 0,152 0,171 q z (r > r z m) 0,623 0,607 0,593 0,584 0,580 q w (r > r z m) 0,151 0,173 0,191 0,202 0,208 q N (r > r z m) 0,002 0,007 0,014 0,021 0,030 Примечания: r w m модальный радиус водности; r z m модальный радиус отражаемости. Расчеты показали, что для каждого значения параметра μ величины относительных вкладов q z, q w и q N значительно отличаются друг от друга и существенно зависят от выбора участка спектра размеров капель. Так, для μ = 0 капли конечного участка спектра (r > r z m), составляющие менее 1 % общей концентрации, создают 62 %-ный вклад в общую отражаемость и 15 %-ный вклад в водность. Капли с радиусом r > r w m составляют 4,5 % общей концентрации капель. Они практически полностью определяют радиолокационную отражаемость (q z = 97 %) и создают 65 %-ный вклад в водность. При изменении спектра размеров капель, аппроксимированного распределением (3.15), изменение величин относительного вклада определяется вариациями параметра μ. Расчеты показали, что при изменении μ, от 0 до 4 величины q z и q w рассматриваемых участков спектра изменились не более чем на 5 % по отношению к вкладу капель всего спектра, а отношение q z / q w для r > r z m составило 0,64 0,67 и для r > r w m 0,24 0,35. Незначительная изменчивость величин относительного вклада указывает на возможность использования радиолокационной отражаемости в качестве весовой характеристики при оценке водности методами пассивно-активной радиолокации. Сопоставление известных выражений для водности и радиолокационной отражаемости [177] позволяет записать соотношения между z и w [157]: z = K 1 (β)υ 1 (μ)w, (3.17)

131 где либо где K 1 (β) 239 m m β 3, Φ 1 (μ) = (μ+4)(μ+5)(μ+6), z = K 2 (β)υ 2 (μ)w 2, (3.18) K 2 (β) 0,057 m m (μ) 6 N, (μ 4)(μ 5)(μ 6) (μ )(μ )(μ 3). Соотношения (3.17) и (3.18) можно представить в общем виде Z = Aw α. (3.19) Коэффициенты А и а в формулах (3) и (4) зависят от параметров функции распределения капель по размерам. Сопоставление соотношений (3.17) и (3.18) с (3.19) позволяет предположить, что параметр а меняется от 1 до 2. Применение пассивно-активного совместного радиолокационного зондирования позволяет оценить параметры в соотношении (3.19). Исходным положением предлагаемого метода является предположение, что вид функции, описывающий спектр облачных капель, не меняется вдоль направления визирования, т. е. А и а в соотношении z w постоянные для каждого направления l. Тогда после преобразования и интегрирования выражения (3.19) по направлению получим, что a A a ( (l) l l), (3.20) где z(l) отражаемость, мм 6 /м 3 ; W интегральная водность в направлении визирования, кг/м 2 ; l протяженность, км. Величины z(l), W, l определяются из результатов пассивно-активного радиолокационного зондирования облаков. Для определения неизвестных параметров А и а в формуле (3.20) можно использовать результаты зондирований облака в двух направлениях, если сделать предположение, что корреляционная связь между z и w для этих направлений одинаковая. Тогда коэффициенты А и а можно определить методом подбора. Для обоих направлений рассчитываем параметр А по формуле (3.20) при а = 1. Затем, меняя а с шагом 0,1, рассчитываем А до тех пор, 131

132 пока коэффициенты А не совпадут для обоих зондирований (А 1 = = А 2 = А 3 ). Параметр а, при котором А 1 = А 2, и полученное значение А используется при определении распределения водности в этих двух направлениях исследуемого сечения. Коэффициенты А можно уточнять для каждого направления зондирования по формуле (3.20), задаваясь постоянным значением а. Распределение водности w(l) в направлении l вычисляется по формуле 132 (l) l a (l) a (l) l, (3.21) которая получается при подстановке (3.20) в (3.19). В этой формуле радиолокационная отражаемость является весовой характеристикой в распределении интегрального водозапаса по лучу визирования, оцениваемого по результатам измерений радиотеплового излучения облачного слоя в исследуемом направлении. Эта формула удобна при оперативной работе. Погрешность определения водности методом пассивно-активной радиолокации по формуле (3.21) обусловлена неточностью измерения радиолокационной отражаемости, погрешностями оценки водозапаса и неточностью задания параметра а. Измерение радиолокационной отражаемости осуществлялось с максимальной погрешностью ~83 %, а вероятной ~40 % [177]. Оценка водозапаса облаков по результатам СВЧ радиометрических измерений производится с погрешностями, не превышающими 30 % [177]. Погрешности измерения этих параметров создают погрешности в оценке водности, достигающие 115 %. Вероятная погрешность при определении водности по данным пассивноактивной радиолокации составляет ~55 %. Произвольный выбор параметра, а уменьшает точность определения водности незначительно. Это будет продемонстрировано при анализе результатов экспериментальных исследований. Пассивно-активный метод оценки водности может быть использован при исследовании осадков. Однако при интерпретации радиотеплового излучения осадков в ряде случаев должен учитываться вклад рассеянных полей. Так, для λ = 3,2 см коэффициент рассеяния в дождях интенсивностью I 90 мм/ч не

133 превышает 0,13 [26]. В случае же более интенсивных дождей неучет рассеяния может привести к заметным погрешностям при интерпретации радиотеплового излучения осадков. Анализ данных о ходе дождей в районе Воейково, Ленинградской области за гг. показал, что осадки с интенсивностью более 90 мм/ч составляют менее 5 %. Следовательно, в большинстве случаев на λ = 3,2 см рассеянием в осадках можно пренебречь. При исследовании осадков методами пассивно-активной радиолокации для перехода от водности дождя к интенсивности следует использовать соотношения [158]: I = 3,4 w 1,33 при w 0,32 г/м 3, (3.22) I = 2,8 w 1,17 при w > 0,32 г/м 3. (3.23) Соотношения (3.22) и (3.23) получены при сопоставлении известных выражений для водности и интенсивности дождя, записанных через гамма-функции. При этом считалось, что средняя концентрация капель дождя равна 600 м -3, а параметр μ в распределении (3.15) равен 2 для дождей малой и средней интенсивности и 0 для дождей большой интенсивности [191]. Оценки показали, что при определении интенсивности по формулам (3.22) и (3.23) неточное задание параметров распределения создает погрешности, не превышающие 10 %. Для оценки эффективности полученных соотношений был проведен численный эксперимент. В качестве исходных параметров были взяты параметры гамма-распределения (1), которые входят в известные выражения водности и интенсивности дождя. При расчетах концентрация капель варьировалась от 200 до 800 м -3 (через 200), μ от 0 до 6 (через 2) и β от 2 до 20 (через 2). По значениям водности оценивалась интенсивность дождя I w по формулам (3.22) и (3.23). I w сопоставлялись с соответствующими значениями интенсивности дождя I τ полученными из выражений, записанных через гамма-функции. Средняя относительная погрешность оценки, рассчитанная по формуле n I w I τ I τ n 133

134 составила 0,15. Результаты численного эксперимента указывают на высокую эффективность использования соотношений (3.22) и (3.23) при определении интенсивности осадков по значению водности, оцениваемой по результатам пассивно-активного радиолокационного зондирования. Экспериментальные исследования конвективных облаков и осадков осуществлялись при помощи пассивно-активной радиолокационной станции, созданной на базе подвижного варианта метеорологического радиолокатора МРЛ-2 и модуляционного СВЧрадиометра на длину волны λ = 3,2 см [49]. На основе пассивноактивных радиолокационных измерений выполнено исследование устойчивости параметров соотношений z w. Для этого были рассчитаны коэффициенты А по формуле (3.20) при изменении а от 1 до 2. Исследования показали, что коэффициент А в соотношении z w имеет большие вариации для каждого сечения облака, а также может изменяться значительно при изменении а от 1 до 2. Однако коэффициенты А остаются близкими по значению для направлений с незначительными различиями в величинах максимальной отражаемости lg z max и средней водности w ср. Это позволяет сделать предположение, что в этих направлениях спектр распределения капель одинаков. Действительно, отражаемость определяется крупнокапельной частью спектра, а при одинаковой максимальной отражаемости средняя водность будет определяться общей концентрацией капель. В качестве примера на рис представлена зависимость коэффициента А от средней водности w ср для а = 2, полученная 29 июля 1981 г. для направлений с одинаковой радиолокационной отражаемостью lg z max = 0,2; 0,6; 1,7; 1,9. Во всех случаях с увеличением средней водности, а следовательно, и концентрации капель, коэффициент А уменьшается. Это находится в согласии с теоретически полученным выражением для коэффициентов в соотношении z w (3.18), в котором K2 обратно пропорционально концентрации. Возможность уточнения коэффициента А для каждого направления визирования позволяет при одинаковой радиолокационной отражаемости выделять в облаке зоны с различной концентрацией капель, т. е. с различной водностью. 134

135 Рис Зависимость коэффициента А в соотношении z w от средней водности и максимальной радиолокационной отражаемости в сечении Cb ( ). 1 lg z = 0,2; 2 lg z = 0,6; 3 lg z = 1,7; 4 lg z = 1,9 Рис Распределение радиолокационной отражаемости lg z и водности w вдоль направления зондирования Cb ( ). 1 lg z; 2 w(a = 1); 3 w(а = 2) Определение водности облаков и осадков по результатам пассивно-активных радиолокационных измерений производится с использованием формулы (3.21), в которой имеется неизвестный параметр а. Экспериментальные исследования показали, что произвольное задание параметра а, меняющегося от 1 до 2, вносит незначительное изменение в распределение водности. Это следует из рис. 3.26, на котором приведены распределения вдоль направления зондирования значений радиолокационной отражаемости и водности, вычисленной по формуле (3.21) при а = 1 и а = 2. Расчеты выполнены по результатам измерений, проводившихся в июле 1983 г. при помощи пассивно-активной РЛС с приставкой поимпульсной регистрации, позволяющей измерять радиолокационную отражаемость облачного объема через 150 м. С такой же дискретностью оценивалась водность. Исследуемое облако протяженностью ~6 км находилось на удалении ~20 км. Измерения проводились в азимуте 246 º и угле места 4 º, что соответствовало зондированию слоя, расположенного ниже нулевой изотермы. 135

136 Водозапас облака в исследуемом направлении составил 6,4 кг/м 2, а значение средней водности 1,5 г/м 3. Распределения водности, рассчитанные при а = 1 и а = 2, как видно из рисунка, различаются незначительно. Наибольшее различие в значениях водности отмечается в области экстремальных значений. При а = 1 w max = 4,1 г/м 3, а при а = 2 w max = 3,1 г/м 3. Это объясняется тем, что параметры а и А взаимосвязаны. Их зависимость определяется данными зондирования и выражена соотношением (3.20). Как уже отмечалось, использование результатов совместных пассивно-активных радиолокационных измерений для оценки водности облаков и осадков позволяет при одинаковой радиолокационной отражаемости выделять внутри облака (слоя осадков) очаги с различной водностью (интенсивностью дождя). Для иллюстрации сказанного воспользуемся результатами экспериментальных исследований облаков и осадков. Для сопоставления рассмотрим по два направления зондирования с близкими значениями максимальной радиолокационной отражаемости и различающимися значениями водозапаса. Водность в облаках и осадках рассчитывалась по формуле (3.21) при а = 2. На рис. 3.27, а приведены изменения радиолокационной отражаемости и водности в облаке в двух направлениях визирования (азимуты 295 и 302 º) с равными значениями максимальной отражаемости lg z max = 0,2 и различающимися значениями водозапаса (7,6 и 2,8 кг/м 2 соответственно). Для этих направлений получены профили водности с максимальными значениями 1,15 г/м 3 в одном и 0,45 г/м 3 в другом. Для исследуемых направлений выполнены оценки погрешностей, обусловленные погрешностями измерения радиолокационной отражаемости (±3 дб) и водозапаса (±30 %). Расчеты показали, что основной вклад в погрешность определения водности по формуле (3.21) дает погрешность измерения водозапаса. Погрешности измерения z вносят незначительные изменения при расчете водности, так как в формуле (3.21) используются относительные величины радиолокационной отражаемости. На рис. 3.27, а показаны полученные оценки погрешностей определения водности для исследуемых направлений. Максимальная водность оценена с погрешностью, не превышающей 30 %. На рис. 3.27, б приведены результаты зондирования слоя осадков при помощи пассивно-активной РЛС. Исследование осадков 136

137 осуществлялось при угле места антенны, равном 2 0. Зондируемый слой был протяженностью до 45 км и находился на удалении 30 км от РЛС. Для сопоставления выбраны два направления (азимуты 12 и 22 0 ) с близкими значениями максимальной радиолокационной отражаемости (lg z max = 1,9) и различающимися величинами водозапаса (23 и 49 кг/м 2 соответственно). На рисунке изображено изменение 1g z в этих направлениях визирования и интенсивности осадков, рассчитанное с помощью формул (3.22) и (3.23) по результатам совместных пассивно-активных радиолокационных измерений. Максимальные расчетные значения интенсивности дождя для этих направлений составили 4,3 и 10 мм/ч соответственно. Рис Изменение радиолокационной отражаемости z и водности в облаке w (а) и интенсивности дождя I (б) вдоль направлений зондирования. а lg z (1 азимут 295 º, 3 азимут 302 º). w (2 азимут 295 º, 4 азимут 302 º); б lg z (1 азимут 22 º, 3 азимут 12 º), w (2 азимут 22 º, 4 азимут 12 º) Таким образом, на основе сопоставления величин относительного вклада капель различных участков спектра в радиолокационную отражаемость q z и водность q w показано, что отношение q w / q z, изменяется незначительно при изменении спектра размеров капель, что указывает на возможность использования радиолока- 137

138 ционной отражаемости в качестве весовой характеристики при оценке водности облаков и осадков методами пассивно-активной радиолокации. Экспериментальные исследования показали, что применение комплексного пассивно-активного радиолокационного зондирования облаков и осадков позволяет при одинаковой радиолокационной отражаемости выделять очаги с различной водностью (интенсивностью). Это обусловлено тем, что для оценки водности используется не «жесткая» связь между z и w, а связь, устанавливаемая на основе результатов пассивно-активных радиолокационных измерений. 138

139 Глава 4. ИСКУССТВЕННОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ ОСАДКОВ НА БОЛЬШИХ ТЕРРИТОРИЯХ В последние лет во многих районах земли и, в частности, в странах Средиземноморского региона и в большинстве арабских стран, включая Сирию, Иран, все острее становится проблема обеспечения пресной водой. Это связано, с одной стороны, с интенсивным развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, с ростом городов и численности населения. Так, например, в Сирии численность населения возросла с 6,257 млн человек в 1970 г. до 12,116 млн человек в 1990 г., т.е. практически возросла в два раза. Кроме того, в гг. наблюдалось значительное уменьшение количества атмосферных осадков, что в основном объясняется наличием антициклональной ситуации в центральной и восточной частях Средиземноморского бассейна. Одновременно с уменьшением осадков наблюдалось увеличение температуры воздуха, а значит рост испаряемости и, как следствие, еще большее снижение водозапасов. Исследования, выполненные в различных регионах мира, свидетельствуют о том, что активные воздействия на облака позволяют увеличить количество осадков. При этом эффективность воздействий зависит от применяемой технологии, размеров и характеристик территории, типа облаков и т.д. В настоящей главе рассматриваются результаты оперативных работ по ИУО, выполненных в Сирийской Арабской Республике, в Исламской Республике Иран, Португалии, а также в Республике Саха (Якутия) с использованием описанной в предыдущих разделах российской технологии искусственного увеличения атмосферных осадков Российско-сирийский проект по ИУО на территории Сирии В связи со значительно возросшей потребностью в пресной воде для нужд сельского хозяйства, промышленного производства и коммунального хозяйства, а также исходя из участившихся в период с 50-х по 90-е годы засух, оказывающих неблагоприятное 139

140 воздействие на развитие сельскохозяйственного производства и приведших к значительному истощению подземных вод вследствие их интенсивного потребления путем бурения скважин, правительство Сирии было вынуждено принять определенные меры для решения остро вставшей проблемы пополнения естественных водных ресурсов. Одним из путей решения проблемы заключалось строительство новых водохранилищ. Однако, наблюдаемый климатический тренд уменьшения осадков (см. рис. 4.1) значительно снижает эффективность этих систем и поэтому они не могут удовлетворить потребности в воде из-за недостаточного пополнения водозапасов за счет атмосферных осадков. Как видно на рис. 4.1, в период с 1960 по 1991 г. на территории Сирии наблюдалась тенденция уменьшения количества осадков. Так, объем осадков, выпавших за четыре зимних месяца сезона дождей (декабрь март) уменьшился с 36,5 км 3 в сезоне гг. до 31,4 км 3 в сезоне гг., т.е. за 32 года наблюдений осадки уменьшились в среднем на 5,1 км 3 или на 14 % ОБЪЕМ ОСАДКОВ (КУБ.КМ) сезон 140 Рис Исходные и осредненные по двум годам объемы четырехмесячных слоев осадков и их временной тренд Для решения проблемы пополнения водных ресурсов правительством Сирии в 1990 г. была создана комиссия из специалистов министерства сельского хозяйства, ВВС и гидрометслужбы, кото-

141 рая принимая во внимание результаты выполненных в различных регионах мира исследований и оперативных работ по искусственному увеличению атмосферных осадков путем засева облаков льдообразующими реагентами, приняла решение провести в Сирии в 1991 г. опытные работы подобного рода с целью демонстрации возможностей технологии ИУО и сбора информации для оценки возможности организации оперативного проекта по увеличению осадков в Сирии. В результате анализа полученных из России, США, Австрии, Италии, Швейцарии, Франции, Японии и Швеции предложений комиссией был сделан выбор в пользу российской технологии. В связи с этим Россией и было предложено организовать и провести в 1991 г. полуторамесячный демонстрационный эксперимент по применению российской технологии в условиях Сирии. Этот эксперимент был проведен в период с 13 марта по 25 апреля 1991 г. с участием российского самолета-метеолаборатории Ил-18 "Циклон". В ходе проведения демонстрационного эксперимента было выполнено 13 полетов с суммарной продолжительностью около 58 летных часов, в ходе которых осуществлялось изучение региональных особенностей облаков с целью адаптации методики и технологии воздействий и производился засев осадкообразующих облачных систем на территории Сирии. Результаты самолетных измерений показали, что в атмосфере этого региона содержится достаточно большое количество аэрозольных частиц субмикронных размеров вплоть до высот м [154]. На вертикальное распределение и вариации концентраций аэрозоля заметное влияние оказывает Сирийская пустыня. Особенностью аэрозоля региона является чрезвычайно большое содержание частиц металлов. Концентрация ледяных ядер (1,2 3,2 л -1 в интервале высот от 2000 до 8000 м при температуре активации 20 ºС), несмотря на общую запылѐнность воздуха и повышенное содержание металлов, находится на уровне концентраций в других регионах, где дефицит природных ледяных ядер позволяет эффективно воздействовать на облака путем их засева льдообразующим аэрозолем. Микрофизические исследования показали, что практически все холодные облака, независимо от их температуры и морфологического типа, содержали переохлаждѐнную жидкокапельную воду. Значения 141

142 водности колебались от 0,05 0,7 г/м 3 в слоистообразных облаках и до 1,8 г/м 3 в конвективных ячейках [45]. Как показали результаты оценки, полученные несколькими независимыми группами сирийских специалистов и группой выполнявших эксперимент российских специалистов, воздействия привели к увеличению суммарного объема осадков на территории Сирии за период работ не менее чем на 2,45 миллиарда кубических метров. По результатам демонстрационного эксперимента комиссией было приято решение о проведении подтверждающего эксперимента на всей территории Сирии (площадь около 185 тыс. км 2 ) в течение сезона осадков (с декабря по март) гг. [1, 337]. В подтверждающем эксперименте приняли участие 4 российских самолета-лаборатории (Ил-18, Ан-12, Ан-26 и ЯК-40), которые выполнили 93 полета с общей продолжительностью 358 летных часов. Для планирования и проведения летных работ была организована информационно-измерительная система, включавшая в свой состав две станции приема спутниковой метеорологической информации и два автоматизированных метеорологических радиолокаторов МРЛ-5. Результаты статистической оценки эффективности воздействий за весь период работ показали, что дополнительные осадки составили 4,8 млрд м 3. В первые два сезона проекта в работах единовременно использовалось до пяти российских СМЛ (Ил-18, Ан-12, Ан-26 и ЯК-40). В гг. российскими специалистами было оборудовано четыре сирийских СМЛ (два Ан-26 и два ЯК-40), и начиная с сезона гг. в работах использовались только сирийские самолеты. Все самолеты были оборудованы измерительно-вычислительными комплексами (ИВК) и средствами для засева облаков. ИВК обеспечивали измерение, обработку, отображение на экране бортового дисплея и архивирование данных о метеорологических параметрах температуре воздуха, ветре, влажности, водности облаков, интенсивности обледенения и др. и пилотажно-навигационных параметрах абсолютных координатах местонахождения самолета, высоте полета, курсе, путевой и истинной воздушной скорости и др. В полете данные, необходимые для проведения воздействий, отображались на экране монитора одновременно с картой и нанесенными на нее траекторией полета и зонами засева 142

143 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 м ниже верхней границы облачности. Для управления авиаработами в гг. на территории Сирии была создана радиолокационная система из четырех радиолокаторов МРЛ-5, оборудованных автоматизированными комплексами АКСОПРИ, практически полностью перекрывающих территорию страны (рис. 4.2). Рис Зоны обзора 4-х радиолокационных комплексов АКСОПРИ, установленных в Дамаске, Наби-Мате, Алеппо и Дерзоре, и расположение шести зон (субмишеней) на территории Сирии В Дамаске был создан центр управления проектом, в котором были установлены аппаратура приема и отображения радиолокационной, спутниковой и синоптической информации, был создан центр по обработке самолетной, радиолокационной и наземной осадкомерной информации, аппаратура связи с радиолокацион- 143

144 ными комплексами и с СМЛ. Сводные данные о проведенных в Сирии летных работах по ИУО в гг. приведены в табл. 4.1 [1, 283]. Таблица 4.1 Сводные данные о характеристиках работ по ИУО на территории Сирии Период работ Характеристики п/п работ (III IV) Количество самолѐтов Количество радаров Количество рабочих дней Количество ПВ Количество ПВ Суммарный налѐт, ч Количество циклонов Следует отметить, что условия работ по увеличению осадков в Сирии были таковы, что применить для их оценки широко используемый для оценки оперативных проектов метод исторической регрессии напрямую не было возможным. Прежде всего, это обусловлено тем, что для достижения высокой эффективности воздействий по требованию заказчика воздействию подлежали все пригодные для этого облака, и поэтому постоянную контрольную территорию выбрать было невозможно. Во-вторых, работы проводились на большой территории (около 185 тыс. км 2 ), характеризующейся высокой физико-географической неоднородностью и большой пространственной изменчивостью осадков (рис. 4.3). В связи с этим для оценки результатов воздействий в российско-сирийском проекте был разработан и апробирован модифицированный метод исторической регрессии или «метод плавающего контроля», подробное описание которого приведено в главе 8 настоящей монографии. Потенциальными предикторами уравнений регрессии (8.3) являлись суммарные за месяц количества осадков (архив содержит месячные суммы осадков), выпавших на тех из 47

145 опорных метеостанций, которые в конкретном месяце сезона воздействий находились вне зоны 2-часового переноса облачности и осадков от всех линий воздействия данного месяца. Направление и скорость переноса для каждого случая воздействия определялись по радиолокационным данным. В качестве опорных использовались 47 станций метеорологической сети Сирии (рис. 4.4), имеющих непрерывные 30-летние ряды наблюдений с 1959 по 1988 г. Принимая во внимание высокую пространственную неоднородность осадков на территории Сирии, оценка воздействий проводилась по шести зонам (субмишеням), характеризующимся сравнительной однородностью средних многолетних слоев осадков. Рис Распределение средней годовой суммы осадков на территории Сирии Основные результаты статистической оценки эффективности регулярных воздействий на облака на территории Сирии в гг., полученные с использованием разработанного в проекте модифицированного метода исторической регрессии для каждой из субмишеней и для территории Сирии в целом, приведены в табл [117, 230, 284, 302]. 145

146 146 Рис Расположение 47 опорных метеостанций, 4-х радиолокационных комплексов АКСОПРИ и шести зон (субмишеней) на территории Сирии Результаты расчетов показали, что относительное увеличение месячного количества осадков на субмишенях менялось от 19,7 % до +123,9 % (табл. 4.2). Из табл. 4.2 также видно, что во всех шести зонах получен положительный эффект. При этом по величине эффекта зоны условно можно разделить на две группы: 1) незначительный положительный эффект (от 3 до 7 %) на субмишенях 2, 3 и 4; 2) значительный положительный эффект (от 16 до 22 %) на субмишенях 1, 5 и 6. Проверка статистической значимости эффектов с использованием t-теста показала, что для субмишеней 1, 4, 5 и 6 величина p меньше 0,05 и это означает, что эффект воздействий значим на уровне 0,05.

147 Таблица 4.2 Оценка месячной эффективности воздействий для шести субмишеней (зон) Зона Кол-во Эффект, % Доверит. Значение месяцев ср. знач. минимум максимум интервал p ,4 19,7 69,5 2,9 29,9 0, ,6 16,9 35,7 5,6 14,7 0, ,1 19,5 52,4 6,4 12,6 0, ,8 15,3 34,3 0,6 13,0 0, ,7 8,7 82,8 3,6 27,8 0, ,4 2,0 123,9 9,3 35,6 0,002 Наряду с оценками эффективности воздействий раздельно по субмишеням и месяцам с воздействиями были получены оценки суммарного эффекта для каждого месяца по всей территории Сирии, а также для сезонов и для всего периода работ на субмишенях и на всей территории Сирии. Так, оценки суммарного по всей территории Сирии месячного увеличения осадков находятся в более узком диапазоне значений от 1,7 до 49,7 % и характеризуются существенно меньшей, чем для отдельных субмишеней, величиной стандартного отклонения (11,7 и 22,7 %, соответственно). Результаты анализа сезонного эффекта воздействий по отдельным субмишеням (табл. 4.3) показали, что, как и для месячных слоев, наименьший положительный эффект зафиксирован для субмишеней 2 и 3 (2,9 и 2,1 %, соответственно). Наибольшие эффекты зафиксированы для зон 1 и 6 (21,1 и 15,7 %, соответственно). При этом осредненные по пяти сезонам оценки эффекта воздействий для трех субмишеней (1, 4 и 6) оказались статистически значимыми (p < 0,05). Полученные различия в эффекте воздействия для различных зон, по-видимому, определяются разной степенью влияния орографии. Анализ результатов сезонной эффективности воздействий для территории Сирии в целом (табл. 4.4) показал, что за шесть сезонов работ было получено от 0,9 до 4,8 км 3 дополнительной воды, 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. За 6-летний период работ в Сирии в среднем за сезон было получено около 3 км 3 дополнительной воды, что составляет 11,1 % от их естественного объема. 147

148 Таблица 4.3 Оценка эффективности воздействий раздельно по зонам в гг. Зона Фактическое Оценка Эффективность Относительная Значение количество количества воздействий, эффективность осадков, км 3 осадков, км 3 км 3 р воздействий, % Зона 1 2,936 2,425 0,511 21,1 < 0,05 Зона 2 4,081 3,966 0,115 2,9 Зона 3 2,057 2,015 0,042 2,1 Зона 4 2,667 2,444 0,223 9,1 < 0,05 Зона 5 7,973 7,274 0,699 9,6 Зона 6 12,281 10,612 1,669 15,7 < 0,05 Таблица 4.4 Оценка сезонной эффективности воздействий для всей территории Сирии Сезон Фактическое Оценка Эффективность Относительная Значение количество количества воздействий, эффективность осадков, км 3 осадков, км 3 км 3 р воздействий, % ,857 29,073 4,784 16, ,814 24,731 4,083 16,5 < 0, ,246 27,077 3,169 11,7 < 0, ,058 13,152 0,906 6, ,607 34,023 2,584 7,6 < 0, ,769 35,150 2,619 7,5 < 0, ,225 27,201 3,024 11,1 < 0,05 В заключение следует отметить, что выполненные сирийскими специалистами оценки экономической эффективности работ по искусственному увеличению осадков на территории Сирии показали, что экономический эффект меняется от сезона к сезону и в среднем за 6-ти летний период составил 0,3 цента США за 1 куб. метр дополнительной воды, полученной в результате засева облаков [200]. Следует также отметить, что для оценки экономической целесообразности искусственного увеличения осадков в период с декабря по март, были выполнены исследования связи количества выпадающих в этот период осадков с урожайностью [200]. Для исследований рассматривались 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 148

149 за 20-летний период с 1971 по 1990 г., а для высокопродуктивной пшеницы за 17-летний период с 1974 по 1990 г. Регрессионный анализ продемонстрировал наличие тесной связи урожайности с объемом выпадающих за четыре месяца осадков (рис. 4.5). Так, для обычной и высокопродуктивной пшеницы связь описывается линейными уравнениями, а для ячменя степенным уравнением. Коэффициенты корреляции между урожайностью и объемом осадков: R пш = 0,76; R в.пш = 0,86; R ячм = 0,92. Рис Зависимости урожайности пшеницы, высокопродуктивной пшеницы и ячменя от количества осадков 149

150 Для оценки экономической эффективности искусственного увеличения осадков была использована полученная с помощью регрессионного анализа связь урожайности пшеницы с количеством осадков. В предположении сохранения тенденции уменьшения четырехмесячного количества осадков, в гг. оно должно составить около 30 км 3. Если рост осадков благодаря активным воздействиям на облака составит, как это следует из табл. 4.4, 7 16,5 %, то объем дополнительно полученной воды V будет около 2 5 км 3. При занятой в 1990 г. под пшеницу площади S = 1 млн га, увеличение сбора урожая будет равно Y = 27,1 V S = = 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 5 13,5 млн долл. США Российско-иранский проект по ИУО в Центральной части Ирана Как отмечалось во введении к настоящей главе, в последние лет во многих районах Земли все острее становится проблема обеспечения пресной водой. Так, в частности, в Центральной части Ирана (провинция Йязд, рис. 4.6), характеризующейся крайне неоднородной топографией (высота от 1000 до 4000 м над уровнем моря) и значительной изменчивостью осадков (от мм в центральной части провинции до мм на западе и юго-западе, рис. 4.7) практически каждые 2 3 года наблюдаются засушливые сезоны. Анализ исторических данных об осадках свидетельствует о том, что сезон осадков в Центральной части Ирана длится 8 месяцев (с октября по май, рис. 4.8). При этом основное количество осадков 82 % годовой суммы выпадает в период с декабря по апрель. В период дождей ежемесячно наблюдается в среднем 2 5 дней с осадками (рис. 4.8). На рис. 4.9 приведена диаграмма, характеризующая межгодовую изменчивость четырѐхмесячного (январь-апрель) количества осадков в Йязде. Из диаграммы видно, что к периоду принятия решения о проведении работ за 30-летний период наблюдалось уменьшение осадков примерно на %.

151 Таким образом, предполагаемое увеличение осадков за счѐт активных воздействий на те же % для провинции Йязд имеет весьма актуальное значение. Рис Район проведения работ по ИУО в Центральной части Ирана Принимая во внимание вышеизложенное, а также успешность проведения Российскими специалистами в гг. оперативных работ по увеличению осадков на территории Сирии в 1999 г. был заключен Контракт на проведение работ по искусственному увеличению осадков на площади провинции Йязд и прилегающих к ней территорий, являющихся одним из наиболее засушливых районов в Иране. На первом этапе работ предусматривалось проведение воздействий на облака с использованием российских самолѐтов. Для эффективной организации и проведения летных работ на территории Проекта в 1999 и 2000 гг. были установлены два радиолокационных комплекса АКСОПРИ-Е (рис. 4.7), обеспечивающих мониторинг полей облаков и осадков и сопровождение авиационных работ по воздействиям. 151

152 36 Tehran 35 Erak 34 mm Esfahan Shahr Yazd Yasuj MRL Bushir Shiraz MRL2 Kerman Bandar-Abbas Рис Распределение 4-месячного (январь апрель) слоев осадков в 450-километровой зоне вокруг Йязда за период гг. Кругами показаны 200-километровые зоны измерения осадков с помощью двух наземных радиолокационных комплексов АКСОПРИ-Е (МРЛ-1 и МРЛ-2) Осадки Кол-во дней с осадками Осадки (мм) Число дней Янв Фев Март Апр Май Июнь Июль Авг Сент Окт Нояб Дек 0 Рис Среднемесячное количество осадков и число дней с осадками в г. Йязд за период с 1953 по 1998 гг. Среднее годовое количество осадков в Йязде 61,2 мм 152

153 70 60 Количество осадков (мм) Сезон Рис Диаграмма межгодовой изменчивости четырѐхмесячного (январь апрель) количества осадков (мм) в г. Йязд Обобщѐнная информация о проведенных в гг. трех полевых сезонах авиаработ по засеву облаков на территории Проекта приведена в табл. 4.5 [48, 211, 279]. Таблица 4.5 Характеристики работ по увеличению осадков в Иране гг. Характеристики Сезон 1999 г. Сезон 2000 г. Сезон 2001 г. Период работ Площадь работ 125 тыс. кв. км 280 тыс. кв. км 385 тыс. кв. км Самолѐт СМЛ Ан-30 СМЛ Ан-30 СМЛ Ан-30 Радиолокатор МРЛ-5 МРЛ-5 Два МРЛ-5 Число рабочих дней Количество полѐтов Суммарный налѐт 76 ч 13 мин 90 ч 50 мин 88 ч 56 мин Количество ПВ Воздействие жидким 350 мин, 430 мин, азотом 4 полѐта 8 полѐтов Количество осадкомеров В первом полевом сезоне (февраль апрель, 1999 г.) работа проводилась на площади радиусом 200 км (около 125 тыс. км 2 ) вокруг радиолокатора, установленного в 80 км к юго-западу от г. Йязд (рис. 4.10), с использованием СМЛ Ан-30, оборудованного 153

154 ИВК и средствами для засева облаков. В качестве реагента для засева облаков использовалось йодистое серебро, вводимое в облако путем отстрела пиропатронов ПВ-26 в момент пролета самолета над облаками или на м ниже верхней границы облачности. Для измерения осадков использовалось 42 осадкомера метеослужбы и управления водных ресурсов министерства энергетики Ирана, имеющие 26-летние непрерывные ряды наблюдений за осадками с 1973 по 1998 г. Во втором и третьем сезонах (январь апрель 2000 и 2001 гг.) площадь работ была увеличена до 280 тыс. км 2 в 2000 г. и до 385 тыс. км 2 в 2001 г. (т.е. работы выполнялись в радиусе 300 и 350 км вокруг г. Йязда), и для измерения осадков и статистической оценки эффекта воздействий использовались соответственно данные 106 и 150 осадкомеров с 26-летними непрерывными рядами наблюдений (рис. 4.10). Для засева облаков наряду с йодистым серебром использовался жидкий азот, распыляемый в облаках с помощью самолетных азотных генераторов. В отличие от проекта, проведенного в Сирии, проект в Иране не предусматривал проведения исследовательского и демонстрационного этапов. Поэтому работы с самого начала были направлены на получение дополнительных осадков и исследования облачных характеристик здесь носили исключительно фрагментарный характер. Тем не менее, в результате выполненных в ходе оперативного засева облаков самолетных измерений удалось сформировать некоторое представление о характеристиках облачности на территории Проекта. Так, в период с января по март в районе провинции Йязд, являющейся, по сути, нагорной пустыней, наблюдались в основном слоистообразные облака с внедрѐнной конвекцией, имеющей ярко выраженный характер в районах горных хребтов. В период март апрель наблюдался рост количества чисто конвективных облаков. Нулевая изотерма в зимний период находилась в основном на высоте м и на высоте м в весенний период. Наблюдаемые значения водности в облаках в среднем составляли от 0,1 до 0,3 г/м 3, при этом в конвективных ячейках значения водности доходили до 0,7 г/м 3. Температура верхней границы засеваемой облачности изменялась, в основном, в пределах от 10 ºС до 20 ºС. 154

155 36 35 Tehran 400 km 350 km 300 km 34 Erak km Esfahan Shahr Yasuj Yazd MRL Bushir Shiraz MRL2 Kerman 200 km Bandar-Abbas Рис Расположение 150 осадкомерных пунктов и двух радиолокационных комплексов на территории Проекта в Иране Оценка эффекта воздействий в Проекте проводилась с использованием разработанного и апробированного в Российско-Сирийском проекте гг. модифицированного метода исторической регрессии или «метода плавающего контроля», подробно описанного в главе 8. Оценка результатов работ по воздействиям и определение контрольной территории проводилась для каждого месячного периода полевых работ. За каждый месяц полевой программы лѐтных работ площадь, подвергшаяся на территории проекта влиянию засева, определялась как суммарная площадь, получающаяся при наложении друг на друга площадей воздействий для каждого конкретного полѐта. При этом площадь воздействий для конкретных зон засева облачности определялась как зона 155

156 двухчасового переноса засеянных объемов облачности. Следует отметить, что в связи с увеличением после сезона 1999 г. площади Проекта, территория была разделена на 7 зон (субмишеней), характеризующихся сравнительной однородностью средних многолетних слоев осадков. В качестве примера на рис приведена территория, подверженная влиянию засева облаков для марта 2001 г. На рисунке показаны также контуры семи субмишеней, расположение 150 опорных осадкомеров и кругами обозначены площади измерения осадков двумя наземными радиолокационными комплексами АКСОПРИ-Е. 156 Рис Расположение 150 опорных метеостанций, двух радиолокационных комплексов (МРЛ-1 и МРЛ-2) и семи зон на территории Проекта

157 Количественная оценка эффектов засева для каждого месяца работ определялась на основе построенных месячных распределений слоя осадков на площади Проекта по всем наземным осадкомерным станциям. Наложив на каждую из этих карт суммарную за месяц зону воздействий, определялась площадь, подверженная влиянию засева для этого месяца (площадь «мишени»), и контрольная зона (за пределами «мишени»). После этого по данным о месячном слое осадков на контрольной территории с помощью построенных для этого месяца уравнений исторической регрессии для каждой из семи зон рассчитывалось «прогнозируемое» количество осадков на площади «мишени», т.е. наиболее вероятное количество осадков на этой площади в отсутствие активных воздействий. Разница между рассчитанным таким образом количеством месячных осадков на площади мишени и фактически выпавшим на ней количеством осадков и принималась как оценка эффекта засева облаков для каждой из семи зон. Наряду с оценками эффективности воздействий раздельно по зонам и месяцам были получены оценки суммарного эффекта для каждого месяца и для сезона для всей территории Проекта. Результаты статистической оценки эффективности засева облаков на территории Проекта в гг. (в 2002 г. работы были приостановлены в связи с закупкой иранской стороной собственных самолѐтов и их подготовкой для проведения работ по активным воздействиям) приведены в табл Из таблицы видно, что месячное увеличение количества воды для разных сезонов лежит в пределах 5,8 48,5 %, при этом за три зимних месяца в результате воздействий было получено от 0,7 до 1,7 км 3 дополнительной воды, что составило % от количества естественных осадков. В сезоне гг. после приобретения иранской стороной двух самолѐтов Ан-26 и их оборудования измерительно-вычислительными комплексами и техническими средствами воздействий, были продолжены полевые работы по засеву облаков на территории Проекта, площадь которого была увеличена до 500 тыс. км 2 (территория в радиусе 400 км вокруг г. Йязд, рис. 4.10). При этом количество осадкомеров, данные которых могли быть использованы для статистической оценки, уменьшилось со 150 до 142. Работы выполнялись с 26 ноября 2006 г. по 14 апреля 2007 г. 157

158 Таблица 4.6 Оценка эффективности засева облаков в сезонах гг. Месяц Фактическое количество осадков, км 3 Оценка количества осадков, км 3 Эффект воздействий, км 3 Относительная эффективность воздействий, % 1999 Февраль 2,7808 2,4212 0, ,9 Март 4,7693 3,3415 1, ,7 Апрель 0,7892 0,7187 0,0705 9,8 Сезон 8,3393 6,4814 1, , Февраль 1,8718 1,2861 0, ,5 Март 0,5402 0,4248 0, ,2 Апрель 0,0469 0,0419 0, ,9 Сезон 2,46 1,75 0,71 40, Январь 0,6659 0,4683 0, ,2 Февраль 3,6271 2,4358 1, ,9 Март 4,7836 4,5211 0,2625 5,8 Сезон 9,0766 7,4252 1, ,2 Результаты статистической оценки эффективности засева облаков на территории Проекта в сезоне гг. приведены в табл Таблица 4.7 Оценка эффективности операций по засеву облаков в провинции Йязд в сезоне гг. Месяц, год Фактическое количество осадков, км 3 Оценка количества осадков, км 3 Эффект воздействий, км 3 Относительная эффективность воздействий, % Декабрь ,4006 9,3619 1, ,1 Январь ,4307 3,8692 0, ,5 Февраль ,9680 6,4536 1, ,5 Март , ,9113 1, ,5 Апрель ,7713 4,7410 0,0303 0,6 Сезон , ,3370 4, ,7 158

159 Из таблицы следует, что месячное количество дополнительной воды, полученное в результате засева облаков на территории Проекта в сезоне гг., составило от 0,03 до 1,69 км 3, или 0,6 23,5 % от естественных осадков. При этом за сезон было получено 4,8 км 3 дополнительной воды или 11,5 % от их естественного количества. Таким образом, результаты статистической оценки эффективности оперативного засева облаков на территории Центральной части Ирана, полученные с использованием модифицированного метода исторической регрессии или метода «плавающего контроля», показали, что за 3 5 зимних месяцев может быть получено от 14 до 40 % дополнительного количества воды, что позволяет компенсировать наблюдаемое для данной территории 10 12%-ное уменьшение количества естественных осадков Опытно-производственные работы по ИУО в Якутии Опытно-производственные работы по искусственному увеличению осадков на территории Республики Саха (Якутия) были начаты в 1995 г. [202, 212]. На рис показан район проведения работ по ИУО в Центральном районе Якутии в междуречье рек Лены и Амги, площадью около 30 тыс. км 2. Данный район характеризуется резко-континентальным климатом, коротким периодом вегетации растений и периодическими засухами (через каждые 2 3 года). На рис приведены данные о слое дневных осадков на территории Лено-Амгинского полигона в июне месяце, полученные Якутским ЦГМС по результатам 11-летнего ряда наблюдений с 1985 по 1995 г. Работы по ИУО на территории Якутии проводились в два этапа: в гг. и в гг. В 1995 г. была проведена первая летная экспедиция, в ходе которой были выполнены рекогносцировочные полеты по изучению облачности на полигоне и проверка возможности использования разработанной технологии ИУО применительно к району Центральной Якутии. Результаты работ подтвердили экономическую эффективность проведения оперативно-производственных работ по ИУО в данном регионе. Всего в и гг. было выполнено 7 летных экспедиций на самолетах Ан-26, Ан-30 и Ил-18, оборудованных быстросъемными техническими средствами в составе самолетного 159

160 генератора мелкодисперсных частиц льда на жидком азоте (ГМЧЛ-А), системой отстрела пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50, и измерительновычислительным комплексом (ИВК). 160 Рис Район проведения работ по ИУО в междуречье рек Лены и Алдана и расположение метеорологических станций в районе работ Результаты каждого полета документировались в виде схемы полета с указанием мест проведения воздействий и данными метеопараметров, полученных ИВК. В связи с отсутствием метеорологического радиолокатора результаты воздействий фиксировались с помощью наблюдений с борта самолета и по данным наземных метеонаблюдений. В мае июне 2004 г. с целью повышения экономической эффективности работ был оборудован самолет Ан-26 якутской авиакомпании «СирАЭРО» (рис. 4.14). На самолете было установлено съемное метеорологическое оборудование (рис. 4.15) и средства воздействия на облака, позволяющие проводить засев облаков двумя видами реагентов: пиропатронами ПВ-26 с йодистым серебром и жидким азотом (рис. 4.16).

161 Осадки (мм) Годы Рис Слой дневных осадков на Лено-Амгинском полигоне в июне гг. (по данным Якутского ЦГМС) Рис Самолет Ан-26 б/н RA авиакомпании «СирАЭРО» 161

162 Рис Стенд аппаратуры и датчики измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) Рис Система отстрела пиропатронов АСО-2И и жидко-азотный генератор В гг. воздействия также проводились в районе Олекминска (рис. 4.17), расположенном в 450 км к западу от Якутска. Общие данные о выполненных в и гг. работах по ИУО в Якутии приведены в табл Основные результаты опытно-производственных работ по ИУО в Центральной части Якутии представлены в табл Статистическая оценка результатов воздействий проводилась с использованием метода исторической регрессии, подробно описанного в 8 главе настоящей монографии. Для статистической оценки использовались данные измерения осадков в 12 пунктах в гг., 13 в 1997 г. и 14 в гг., расположенных на территории работ в междуречье рек Лены и Амги и в 5 пунктах в районе Олекминска, имеющих 10-летние непрерывные исторические ряды данных (с 1985 по 1994 г.) о месячных полусуточных суммах осадков. 162

163 Рис Территория работ по ИУО в районе Олекминска Таблица 4.8 Сводные данные о работах по ИУО в Якутии в и гг. Сезон Май июнь 1995 Июнь 1996 Сентябрь 1996 Май июнь 1997 Июнь 2003 Июль 2004 Июнь 2005 Самолет Ан-26 Ан-26 Ан-30 Ан-26 Ил-18 Ан-26 Ан-26 Количество полетов Продолжительность полетов, ч Количество пиропатронов, шт.: ПВ-26 ПВ Жидкий азот, л Из табл. 4.9 следует, что использование 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. Оценки экономической эффективности работ по ИУО в Якутии показали, что себестоимость одной тонны воды, полученной в результате 163

164 активного воздействия на осадкообразующие облачные системы, не превышает 0,003 доллара США, что свидетельствует о высокой экономической эффективности технологии искусственного регулирования осадков как средства для решения проблемы дефицита пресной дождевой воды. Таблица Результаты опытно-производственных работ по ИУО в Якутии Фактические Прогноз Эффект воздействий Период осадки Q ф, мм осадков Q пр, мм мм % Июнь ,4 10,8 12,6 117 Июнь ,7 4,2 1,5 36 Сентябрь ,8 18,7 8,1 43 Май ,9 3,6 1,3 36 Июнь ,1 25,1 3,0 12 Июнь ,0 6,1 23 Июль ,6 44,9 7,7 17 Июнь ,6 24,1 2, Эксперимент по ИУО в Португалии В октябре ноябре 1999 г. российскими специалистами была выполнена полевая программа по исследованию и проведению пробных воздействий на облачность осеннего периода в Португалии с целью оценки ее пригодности для искусственного увеличения осадков с использованием российской технологии [47, 287]. Для исследования облачности и проведения воздействий в работах использовался СМЛ АН-30 «Циклон», оборудованный ИВК и средствами для засева облаков. В качестве реагента для засева облаков использовалось йодистое серебро, вводимое в облако путем отстрела пиропатронов ПВ-26-95, и жидкий азот, распыляемый в облако с помощью самолетного генератора ГМЧЛ-А при пролете самолета на м ниже верхней границы облачности. В период с 16 октября по 15 ноября 1999 г. было выполнено семь рабочих полетов по исследованию облачности и ее экспериментальному засеву. 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 модифи-

165 цированного метода исторической регрессии, было установлено, что за 8 рабочих дней (с 22 по 29 октября) в результате засева облаков было получено около 0,37 куб. км дополнительной воды, что составило 7,4 % от объема естественных осадков за этот период (табл. 4.10). Таблица 4.10 Результаты эксперимента по ИУО на территории Португалии Период Фактические осадки Q ф, Прогноз осадков Эффект воздействий км 3 Q пр, км 3 км 3 % октября 1999 г. 5,41 5,04 0,37 7,4 0,26 Статист. значимость Эффективность воздействий была подтверждена также результатами самолетных исследований эволюции микрофизических характеристик облаков. В качестве иллюстрации на рис приведены траектория полета и зоны засева облаков 28 октября 1999 г. Как видно на рис. 4.18, засев облачности был выполнен в двух зонах: в южной (три линии) и северной (одна линия). Рис Траектория полета и зоны засева облаков и 28 октября 1999 г. 165

166 Для контроля результатов воздействий в северной зоне после засева облачности, имевшей высоту верхней границы м (температура С), выполненного с 13:31 до 13:37 (линия 1, рис. 4.18) при пролете самолета на высоте м, было сделано два прохода без воздействий (линии 2 и 3, рис. 4.18). Контрольные проходы были сделаны на расстоянии 4 6 км (линия 2) и км (линия 3) в подветренном направлении от первой линии на высоте 4300 м (т.е. на 300 м ниже уровня пролета с воздействием). Из рис. 4.19, на котором приведены значения жидкокапельной влаги, полученные во время выполнения трех последовательных пролетов самолета через засеянное облако, видно, что наблюдается значительное уменьшение значений водности до 0,1 0,3 г/м 3 по сравнению с водностью, измеренной во время пролета с воздействием. То есть наблюдалось значительное уменьшение значений водности в облаке через мин после воздействий на него льдообразующим реагентом. Во время третьего прохода, выполненного через мин после воздействий, значения водности уменьшились до 0,1 0,2 г/м 3. Таким образом, результаты контрольных проходов самолета через зону с воздействиями показали, что в соответствии с гипотезой увеличения осадков при засеве облаков льдообразующими реагентами было зафиксировано резкое уменьшение значений переохлажденной жидкокапельной влаги в облаках примерно через мин после засева облачности. Таким образом, приведенные в настоящей главе результаты четырех оперативных проектов по ИУО, выполненных российскими специалистами в различных регионах мира Якутии, Сирии, Иране и Португалии, свидетельствуют о высокой экономической эффективности разработанной в России технологии искусственного регулирования осадков, как средства для решения проблемы дефицита пресной дождевой воды. 166

167 Рис Значения жидкокапельной влаги, полученные во время выполнения трех последовательных пролетов самолета через засеянное облако 167

168 168 Глава 5. РАНДОМИЗИРОВАННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ЗАСЕВУ КОНВЕКТИВНЫХ ТРОПИЧЕСКИХ ОБЛАКОВ Дефицит осадков, регулярно возникающий на Кубе, существенно сказывается на развитии национальной экономики и, в частности, на урожайности сельскохозяйственных культур, определяющих экономику Республики Куба: сахарного тростника, цитрусовых, табака. Несмотря на строительство на Кубе многочисленных водохранилищ, предназначенных для водоснабжения населения, промышленных предприятий и сельского хозяйства, в засушливые периоды они не удовлетворяют потребностей в воде. В связи с этим начиная с 1979 г. Институтом метеорологии Кубинской академии наук в рамках Кубинской программы активных воздействий на погоду (Programa Cubano de Modificación Artificial del Tiempo (PCMAT) [360; 361] и в рамках советско-кубинского научно-технического сотрудничества были начаты работы по ИУО на Кубе. На первой стадии работ в гг. были проведены климатологические исследования облачных ресурсов с целью выбора территории и наиболее благоприятного периода для проведения экспериментов по засеву облаков. В результате анализа климатологического материала и выполненных опытных самолетных и радиолокационных исследований облаков и осадков, для проведения экспериментов была выбрана территория в провинции Камагуэй, расположенная между провинциями Сьего-де-Авила и Лас-Тунас (рис. 5.1). На втором этапе ( гг.) было: 1) проведено оснащение Камагуэйского метеополигона (КМП), представляющего собой круг с радиусом 80 км (площадь около км 2 ), 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 цифровой системой АЦОРС, пункт радиозондирования атмосферы, пункт приема синоптической, спутниковой и прогностической информации, и специализированную сеть дождемеров; 2) подготовлены два самолета Ан-26 и Ил-14, оборудованных аппаратурой

169 для исследования микрофизических и термодинамических характеристик атмосферы и облачности, а также средствами засева облаков путем отстрела пиропатронов с йодистым серебром с самолета Ан-26; 3) выполнены пробные опыты по воздействиям на облака с целью подготовки к проведению исследовательского эксперимента на КМП [59]. Рис Камагуэйский метеорологический полигон (КМП) В июне августе 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. Основное внимание в этот период было уделено определению комплекса критериев пригодности изолированных конвективных облаков для засева льдообразующим реагентом и установлению норм расхода реагентов и способов его введения в облака. 169

170 В соответствии с рекомендациями ВМО к экспериментам по искусственному регулированию осадков после исследовательской фазы в гг. на КМП проводилась подтверждающая фаза рандомизированного эксперимента по засеву изолированных конвективных облаков, а в гг. основное внимание было сосредоточено на опытах с кластерами, представляющими собой мезомасштабные облачные образования, расположенные на площади км Описание технических средств и информационноизмерительной системы эксперимента При проведении экспериментов, основной задачей которых является определение возможности получения дополнительных осадков из конвективных облаков при их засеве льдообразующими реагентами, требуется создание комплекса технических средств для проведения засева облаков и контроля результатов воздействия, а также проведения исследований атмосферных процессов в районе экспериментов. На основании современных представлений о физических процессах, происходящих в облаках и окружающей их атмосфере, рекомендуется при проведении воздействий с целью ИРО проводить исследования и контроль следующих характеристик атмосферы и облаков [317, 320]: структуру полей температуры, влажности и ветра над метеополигоном; условия развития и структуру облаков (вид, протяжѐнность и повторяемость полей облачности, их мощность, высоту оснований и вершин, скорость роста, продолжительность существования, значения температуры на уровне оснований и вершин, уровень нулевой изотермы и т.д.); структуру зон осадков (интенсивность, продолжительность, пространственное и временное распределение); мезо- и микромасштабная структура полей температуры и вертикальных движений; микрофизические характеристики облаков и осадков (водность, концентрация и спектры размеров капель и кристаллов, фазовый состав, ядра конденсации и кристаллизации и т. д.).

171 Из приведенного перечня параметров видно, что диапазон изучаемых процессов включает физические явления синоптических масштабов, а также мезо- и микромасштабные явления. При их изучении, а также для принятия решений о проведении воздействий, оперативного контроля эффектов и оценки результативности воздействий необходимо использовать данные различных технических средств, которыми обычно оснащаются так называемые метеорологические полигоны, выбранные согласно рекомендациям ВМО [317, 320] для проведения экспериментальных работ. Осадкомерная и метеорологическая сети Радиолокаторы и средства связи Данные радиолокационных наблюдений Самолѐтные визуальные и инструментальные данные ОПЕРАТИВНЫЙ ЦЕНТР Пункты радиозондирования Аэросиноптические данные и прогнозы Архив данных Дождемерные кусты ВЦ. Обработка самолетных и наземных данных Рис Функциональная схема взаимодействия между подсистемами информационно-измерительной системы В состав ИИС обычно входят несколько подсистем (рис. 5.2), обеспечивающих разномасштабные измерения большого количества параметров атмосферы и облаков. Данные измерений, полученные в различных подсистемах, после прохождения первичной обработки поступают в оперативный центр и используются при проведении экспериментов по засеву облаков различных форм. 171

172 Ниже приводится описание основных технических средств, входивших в ИИС на Камагуэйском метеополигоне. Для выполнения исследований и проведения засева облаков на КМП в основном использовались два кубинских самолѐта: Ан-26 (рис. 5.3, а) и Ил-14 (рис. 5.3, б). Кроме них в работах также использовались российские СМЛ Ил-18 «Циклон» (в гг.) (рис. 5.3, в) и Ан-12 «Циклон» (в гг.) (рис. 5.3, г). В состав метеорологического оборудования самолетов входили: самолетный мереорограф (СЭМ) для измерения температуры, давления и влажности воздуха, измеритель пульсаций температуры (СИПТ), перегрузочный комплекс (АВПК) для измерения турбулентных и вертикальных движений воздуха, самолетный измеритель истинных значений скорости и температуры (СИИСТ), измерители водности (ИВО, ТЭИВ) и показателя ослабления света в облаках (РП). На борту Ил-14 были также установлены измеритель размеров сверхкрупных частиц мкм (ИРЧ), самолетный измеритель водности (СИВ-3), импакторный заборник облачных частиц (ЗОЧ) и фотоэлектрический спектрометр облачных капель, кроме перечисленных выше приборов, входили измеритель полной водности облаков (ИВОп) и счетчик кристаллов (Мее-120). Для отстрела в облака 26-мм пиропатронов ПВ-26 с йодистым серебром на борту СМЛ Ан-26 был установлен комплект АСО-2И (64 ствола). Принимавшие участие в работах СМЛ Ил-18 и Ан-12 помимо широкого набора измерительной аппаратуры и средств воздействия были также оборудованы 8-мм СВЧ-радиометрами для дистанционного измерения водозапаса облаков. Описание приборов, методики измерений и обработки самолетных данных приведены в работах [30, 89, 100, 201]. Методика проведения эксперимента предусматривала проведение исследований и засев конвективных облаков с самолета Ан- 26 при его пролете через вершины экспериментальных облаков на высотах 5 6 км. Самолет Ил-14 использовался для исследования микроструктуры облаков, измерения частиц осадков и термодинамических характеристик облаков путем многократных пролетов, выполняемых в теплой части облаков (на высотах от 1 до 4 км). 172

173 а б в г Рис Самолеты-метеолаборатории Ан-26 (а), Ил-14 (б), Ил-18 (в) и Ан-12 (г), принимавшие участие в исследованиях облаков и воздействиях на КМП 173

174 В наземную часть ИИС наряду с метеорологическим оборудованием (станция радиозондирования «Метеорит-2» в аэропорту Камагуэй, метеостанции и осадкомерные посты на территории КМП, пункт по приему спутниковой и синоптической информации и т.д.) входили: 1) расположенные на базе метеоцентра в аэропорту г. Камагуэй радиолокаторы АРС-3 (длина волны 3 см) и МРЛ-5 (длина волн 3 и 10 см), оснащенный системой автоматизированной цифровой обработки радиолокационных сигналов (АЦОРС) [123, 124] (рис. 5.4); 2) два плювиографических куста, расположенных на удалении км и км от РЛС на юге полигона (рис. 5.5) и предназначенных для калибровки радиолокационной информации по данным измерения осадков наземными приборами. Следует отметить, что радиолокатор АРС-3 использовался в основном для сопровождения самолетов, при этом также проводилось фотографирование радиоэха облаков и осадков. МРЛ-5 использовался для получения информации об облаках и осадках в цифровом и аналоговом виде. Между Ан-26 и радиолокаторами поддерживалась двусторонняя радиосвязь, благодаря чему обеспечивалось управление летными работами. 174 Рис Радиолокаторы МРЛ-5 (1) и АРС-3 (2) на территории метеоцентра в аэропорту г. Камагуэй

175 Рис Схема Камагуэйского метеополигона (а) и расположенных на нем специализированных осадкомерных полигонов П 1 и П 2 (б) Описанные выше самолетные, радиолокационные и наземные технические средства, входящие в состав ИИС на Камагуэйском метеополигоне, обеспечивали возможность получения достаточно полной информации о пространственно-временном распределении различных параметров как подвергшейся воздействиям, так и развивающейся в естественных условиях облачности Оценка облачных ресурсов на Камагуэйском метеополигоне Эффективность проведения работ по ИРО на заданной территории в значительной степени зависит от облачных ресурсов, т.е. от наличия облаков, пригодных для воздействия, их количества, распределения в пространстве и во времени, а также вклада осадков из этих облаков в общий слой осадков на выбранной площади. В качестве таковой для проведения исследований облачных ресурсов был выбран Камагуэйский метеорологический полигон площадью порядка км 2. На первом этапе основным материалом для анализа явились данные регулярных метеорологических наблюдений за облачностью и осадками, полученные в гг., и данные аэрологических наблюдений на станции Камагуэй с 1967 по 1979 г. В анализе также использовались данные радиолокационных наблюде- 175

176 ний, полученные с 1977 по 1979 г. при помощи радиолокатора АРС-3. При оценке облачных ресурсов в качестве облаков, пригодных для засева льдообразующими реагентами, на первом этапе были выбраны конвективные облака типа Сu cong и Cb, характеризующиеся большой вертикальной мощностью, с верхней границей выше уровня нулевой изотермы, т.е. имеющие переохлажденные области. Для оценки ресурсов были определены следующие характеристики облаков указанного типа: их повторяемость, продолжительность существования и суточный ход, балл облачности. В результате анализа данных было установлено, что в районе полигона во время влажного сезона (май-октябрь) регулярно образуются облака типа Сu cong и Cb. Среднемесячная повторяемость таких облаков составляет дней, причем в мае-июне меньше, чем в июле-августе. Многолетняя среднемесячная продолжительность существования облаков Сu cong Cb по месяцам распределяется следующим образом: в мае 248 ч, в июне 298 ч, в июле 412 ч и в августе 407 ч [17, 18]. Видно, что в июле и августе в период относительного уменьшения количества осадков на полигоне наблюдается большая продолжительность существования Сu cong и Cb, чем в мае и июне. Анализ распределений суточной продолжительности существования системы облаков Сu cong Cb в исследуемом районе свидетельствует о том, что в мае-июне наиболее часто (13 15 дней в месяц) такие системы наблюдаются в течение 3 9 ч в сутки и крайне редко (2 3 дня в месяц) в течение ч. В июле-августе отмечается обратная ситуация. Так, облачность Сu cong Cb наблюдается в течение 3 9 ч 5 7 дней в месяц и в течение ч дней в месяц. Таким образом, данные предварительных исследований особенностей развития конвективных облаков в районе КМП за период с мая по август послужили основанием для заключения, что на полигоне существует достаточное количество облаков типа Сu cong Cb, потенциально пригодных для засева льдообразующим реагентом с целью увеличения осадков [17, 18, 34]. С учетом результатов предварительных исследований облаков и осадков на КМП в гг. были проведены комплексные эксперименты по исследованию тропических облаков на Кубе 176

177 с опытным засевом конвективных облаков различных форм аэрозолями йодистого серебра и с использованием самолетных и радиолокационных средств контроля. За этот период было проведено около 200 опытов с облаками, имеющими высоты от 5,5 до 10 км и температуру на уровне верхней границы от 4,5 до 35 0 С. В процессе опытов проводились визуальные и приборные наблюдения за эволюцией облаков с бортов СМЛ Ан-26 и Ил-14 и радиолокационные наблюдения с помощью РЛС АРС-3 и МРЛ-5 [123]. При обработке экспериментальных данных была проведена идентификация ситуаций, при которых воздействия приводили к положительным результатам, и были разработаны критерии пригодности облаков для засева. Анализ данных показал, что наиболее эффективным является засев облаков, имеющих высоту 6 8 км и температуру на уровне верхней границы от 8 до 20 о С. Увеличение осадков из этого класса облаков было обусловлено увеличением высоты и продолжительности существования засеянных облаков. Засев облаков с верхней границей менее 6 и более 8 км приводил к отрицательному эффекту. Таким образом, в результате выполненных радиолокационных и самолетных исследований облаков и осадков на КМП в гг. были установлены предварительные критерии пригодности облаков для засева с целью получения дополнительных осадков. Согласно этим критериям, облака должны быть оптически плотными, с хорошо организованной структурой, растущими и имеющими диаметр вершины от 2 до 5 км. Выбранные критерии, а также наличие цифровой радиолокационной информации о пространственной структуре радиоэха облаков и осадков позволили провести уточнение полученных оценок облачных ресурсов на КМП. Для уточнения оценок облачных ресурсов использовались радиолокационные данные, полученные на КМП в сезоне 1986 г. Методика радиолокационных наблюдений предусматривала запись на магнитную ленту получаемых с помощью системы АЦОРС радиолокационной информации об отражаемости облаков и осадков в зоне обзора с радиусом 80 км. Запись информации проводилась каждые 5 мин в режиме кругового автоматического вращения антенны со ступенчатым изменением угла места с шагом 1,5 о. Одновременно с записью проводилось фотографирова- 177

178 ние изображений индикатора кругового обзора (ИКО). После каждого цикла конических обзоров, продолжительность которых определялась высотой облачности и ее удалением от РЛС и составляла 2 3 мин, проводилась фоторегистрация изображений радиоэха с индикатора дальность-высота (ИДВ), т.е. вертикальных сечений облаков. Наблюдения проводились за двумя-тремя зонами радиоэха от момента появления первого радиоэха до полной его диссипации или выхода из 80-км зоны наблюдений. По записанной цифровой радиолокационной информации на ЭВМ рассчитывались цифрокарты горизонтальных распределений радиоэха облаков и осадков по 1-км слоям для высот от 0 до 13 км по элементам 2 2 км, и цифрокарты распределений осадков. Для расчета интенсивности осадков (I) по величине радиолокационной отражаемости (Z) использовалось эмпирическое Z-I соотношение: Z = 300 I 1,4 [377]. Это соотношение было получено по данным исследований осадков из конвективных облаков в Южной Флориде и использовалось в качестве исходного для получения цифрокарт интенсивности осадков. Для получения «истинных» радиолокационных значений осадков использовался метод коррекции исходной радиолокационной информации по данным измерения осадков на двух специализированных осадкомерных полигонах П 1 и П 2 (рис. 5.5), расположенных на удалении и км к югу от радиолокатора МРЛ-5 и содержащих 9 и 10 плювиографов, соответственно (рис. 5.5, б). Корректировка радиолокационной информации проводилась следующим образом. Для каждого дня наблюдений определялся коэффициент согласования К согл, равный отношению слоя осадков, измеренного на П 1 и П 2 с помощью наземной осадкомерной сети, к радиолокационному слою осадков на площади полигонов, рассчитанному по цифровой радиолокационной информации с использованием соотношения Z = 300 I 1,4. «Истинные» радиолокационные значения находились затем путем умножения исходных величин на коэффициент согласования К согл. При отсутствии осадков на полигонах П 1 и П 2 значение коэффициента согласования бралось по ближайшему дню, для которого наблюдались осадки на полигонах. Использованная для коррекции радиолокационных 178

179 данных методика позволяет, во-первых, решить проблему неопределенности коэффициентов Z I соотношения для территории КМП и, во-вторых, учесть их изменчивость и, как показывают исследования, обеспечить существенное уменьшение расхождений радиолокационной и наземной осадкомерной информации [374, 377]. Методика последующей обработки радиолокационной информации заключалась в выделении и слежении всех изолированных ячеек радиоэха в зоне радиолокационного обзора и определении их характеристик [107, 313]. Анализ результатов обработки радиолокационной информации показал, что на территории КМП в сезоне 1986 г. наблюдался значительный разброс ежедневного количества облаков, пригодных для засева, т.е. удовлетворяющих принятым критериям пригодности. Так наряду с днями, когда не было зафиксировано ни одного облака, удовлетворяющего критериям засева (например, 16 августа, 12, 27 и 28 сентября), наблюдались дни с количеством таких облаков, близким к 30 (например, 19 и 29 июля, 4 и 17 сентября). В среднем в июле в дни с радиоэха наблюдалось около 20 облаков, удовлетворяющих принятым критериям пригодности для засева. В августе и сентябре наблюдалось уменьшение количества таких облаков до 11 и 12, соответственно. Следует отметить, что пригодные для засева облака составили в июле 57,7 %, в августе 31,3 % и в сентябре 21,4 % общего количества изолированных ячеек, т.е. в среднем в июле каждое второе, в августе каждое третье, а в сентябре каждое пятое изолированное облако удовлетворяло принятым критериям пригодности для засева. Приведенные на рис. 5.6 данные в целом характеризуют отсутствие или наличие на полигоне пригодных для засева облаков. Несомненный интерес при этом представляет информация о том, как эти облака распределены в течение дня, т.е. распределены они равномерно или имеются наиболее благоприятные периоды их появления на полигоне. На рис. 5.7 представлен суточный ход среднего ( N з ) и максимального (N max ) количества облаков, удовлетворяющих принятым критериям пригодности для засева. Для построения графиков на рис. 5.7 использовались цифровые данные радиолокационных наблюдений, проводившихся с 9 до 22 ч местного времени. Как 179

180 видно из рис. 5.7, ежечасно с 12 до 18 ч в июле и августе и с 13 до 17 ч в сентябре наблюдалось хотя бы одно облако, удовлетворяющее принятым критериям пригодности для засева. Причем для рассмотренных месяцев на время с 12 до 18 ч приходится 93 (в июле), 86 (в августе) и 85 (в сентябре) пригодных для засева облаков. Рис Месячный ход количества изолированных (1) и пригодных для засева облаков (2) над КМП в июле сентябре 1986 г. При планировании и проведении экспериментов по засеву облаков наряду с осредненными характеристиками важно иметь информацию и об экстремальных значениях. Из приведенных на рис. 5.7, данных видно, что ежечасное максимальное количество пригодных для засева облаков N max с 12 до 18 ч в июле августе и с 13 до 17 ч в сентябре составляет в основном 6 9 единиц при максимуме облаков. В остальное время максимальное количество равнялось 1 4 облакам. Наряду с информацией о суточной изменчивости абсолютного количества облаков на рис. 5.7 представлены данные о повторяемости относительного количества облаков, пригодных для засева (N з /N). 180

181 Видно, что количество пригодных для засева облаков в среднем составляло % в июле, % в августе и 6 38 % в сентябре. Рис Суточный ход среднего ( N з ) и максимального (N max ) количества облаков, удовлетворяющих принятым критериям пригодности для засева, а также повторяемость облаков, пригодных для засева (N з / N) Приведенные выше данные о наличии на КМП пригодных для засева конвективных облаков, их количестве и суточном ходе, несомненно, важны для оценки облачных ресурсов на полигоне. Однако, более важной характеристикой, определяющей возможность и целесообразность проведения работ по АВ на облака с целью увеличения осадков, являются данные о количестве осадков, выпадающих из потенциально пригодных для засева облаков, и их вклад в слой осадков на площади полигона. Анализ данных об осадках показал, что доля осадков из изолированных облаков, удовлетворяющих принятым критериям, в суммарном количестве осадков на площади полигона меняется ото дня ко дню и от месяца к месяцу. Так, в июле величина ежедневного вклада менялась от 0,4 до 34,8 %, в августе от 0 до 10,5 % и в сентябре от 0 до 32,3 %. В среднем за каждый месяц величина вклада в слой осадков на площади полигона составила 1,0, 1,5 и 3,1 %, соответственно. В среднем же за рассмотренные месяцы облака, удовлетворяющие критериям засева, дали 1,6 % от слоя осадков на площади полигона. Для сравнения отметим, что все 181

182 изолированные конвективные облака дали 1,1 % от общего слоя осадков на полигоне в июле, 1,7 % в августе, 4,1 % в сентябре и 1,9 % в среднем за рассмотренный период, т.е. удовлетворяющие критериям пригодности облака дают % общего количества осадков, выпадающих на площади полигона из изолированных конвективных облаков. Таким образом, результаты оценки ресурсов облаков, потенциально пригодных для засева с целью увеличения осадков на площади полигона, показали, 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 облака дают только 1-3% количества осадков от общего их количества на полигоне. Полученные оценки вклада осадков из изолированных конвективных облаков в слой осадков на площади КМП хорошо согласуются с аналогичными данными других экспериментов [265, 273] и свидетельствуют о необходимости проведения экспериментов по засеву мезомасштабных скоплений («кластеров») конвективных облаков, которые по данным радиолокационных наблюдений дают около 20 25% количества осадков на КМП [20] Характеристики облаков и осадков в районе КМП по данным радиолокационных и радиометрических наблюдений Оценка результатов АВ на облака с целью регулирования осадков достаточно сложная проблема. Основная трудность при оценке эффектов засева связана со значительной пространственной и временной изменчивостью осадков. В настоящее время при проведении экспериментов по ИРО используются два различных подхода к оценке эффекта засева статистический и физический. Результаты различных проектов свидетельствуют о целесообразности и перспективности комплексного использования обоих подходов и, следовательно, о необходимости развития и совершенствования каждого из них.

183 В настоящем параграфе рассматриваются результаты исследований характеристик конвективных облаков, полученных в районе КМП по данным радиолокационных и СВЧ-радиометрических наблюдений, с точки зрения физической оценки результатов засева [16, 19, 21, 118, 119] Результаты исследований радиолокационных характеристик конвективных облаков и осадков на КМП Для анализа использовались радиолокационные данные, полученные в августе сентябре 1986 г. Радиолокационные наблюдения начинались с 9 ч и продолжались до полного исчезновения радиоэха в 100-км зоне радиолокационного обзора. Обработка радиолокационной информации заключалась в выделении на цифpокaртax и прослеживании во времени изолированных зон радиоэха и определении следующих их характеристик: высоты появления первого радиоэха, изменение высоты верхней границы радиоэха во времени, площадь радиоэха и максимальная отражаемость для каждого 1-км слоя (от 0 до 13 км), количество и максимальная интенсивность осадков для каждой изолированной зоны, время существования радиоэха (время "жизни" зоны). Ниже приведены некоторые результаты анализа полученной радиолокационной информации. Связь высоты радиоэха с характеристиками осадков. Связь вертикального размера конвективных облаков с характеристиками осадков является проявлением динамических и микрофизических процессов в механизме осадкообразования. Вертикальный профиль водности в облаке, количество выпадающих из него осадков, их площадь и время жизни зависят от вертикальных размеров облака. Указанные зависимости лежат в основе теории динамического воздействия на конвективные облака с целью увеличения осадков, поскольку увеличение высоты облаков должно приводить к увеличению осадков за счет роста площади и продолжительности выпадения осадков. Результаты экспериментальных исследований характеристик облаков и осадков [238, 350, 376], выполненных в ходе различных проектов по воздействию на конвективные облака, свидетель- 183

184 ствуют о наличии высокой корреляции мощности облаков с характеристиками осадков: интенсивностью, горизонтальными размерами, продолжительностью, потоком и количеством осадков за время жизни облака. Ниже приводятся результаты исследований зависимости между максимальной высотой радиоэха изолированных конвективных облаков (Н макс ) и 1) максимальной площадью осадков (S макс ), 2) максимальной интенсивностью осадков (I макс ), 3) потоком осадков за время его жизни (F), 4) временем жизни облака (Т), 5) высотой первого радиоэха (Н 0 ). В результате обработки данных paдиoлoкациoнных наблюдений за облаками и осадками на КМП с 9 августа по 30 сентября 1986 г. было выделено и прослежено 950 изолированных зон, дающих осадки. В табл. 5.1 приведены средние и предельные величины основных характеристик, использовавшихся в настоящем исследовании. Таблица 5.1 Характеристики изолированных конвективных зон по данным радиолокационных наблюдений на КМП в 1986 г. Характеристика Среднее Дисперсия Минимум Максимум Н 0, км 4,1 1,5 0,7 9,3 Н макс, км 5,2 2,1 0,7 12,5 S макс, км 2 24,3 21, Т, мин 26,9 20, I макс, мм/ч 6,9 12,6 0,1 144 F 10 3, мм км 2 28,1 98,8 0, Анализ приведенных данных позволяет сделать некоторые выводы. Так, при средней высоте первого радиоэха Н 0 = 4,1 км 72 % изолированных зон на КМП имели величину Н 0 меньше 5 км, т. е. имели температуру верхней границы выше минус 5 о С. Это свидетельствует о том, что в большей части облаков на начальной стадии развития преобладают процессы конденсации и коагуляции в механизме образования частиц осадков. Из распределения максимальной высоты радиоэха следует, что при средней величине Н макс = 5,2 км 53 % зон имели высоту менее 5 км, и 30 % более 6 км. Это означает, что практически половина изолированных конвективных облаков на КМП в сезоне 1986 г. были «теплыми» и, в среднем, менее трети облаков удовлетворяли принятым для 184

185 КМП критериям пригодности изолированных облаков для засева льдообразующими реагентами с целью увеличения осадков. Из распределения максимальной площади радиоэха осадков S макс следует, что у 50 % облаков протяженность зоны осадков не превышала 5 6 км и у 98 % облаков не превышала 10 км. При среднем времени жизни изолированных облаков около 27 минут радиоэхо для 43 % из них существовало менее 20 мин, для 66 % менее 30 мин, для 82 % менее 45 мин и 92 % менее 1 часа. Рассмотрим результаты исследований связи вертикального размера конвективных облаков с характеристиками осадков, лежащей в основе теории динамического засева облаков с целью увеличения осадков. В табл. 5.2 приведены характеристики регрессионного анализа радиолокационных данных по 950 изолированным зонам. Таблица 5.2 Результаты корреляционного анализа данных по изолированным зонам Корреляция между характеристиками Коэффициент корреляции Коэффициент наклона Коэффициент пересечения S макс Н макс 0,66 1,71 2,73 lg (I макс ) Н макс 0,66 0,15 0,21 lg (F макс ) Н макс 0,69 0,18 0,48 lg Q Н макс 0,84 0,29 0,83 lg T Н макс 0,61 0,08 0,91 lg H o Н макс 0,71 5,50 0,40 lg S Н макс 0,67 0,38 0,86 lg Q lg S 0, ,51 Необходимо отметить, что с целью поиска наилучшей формы связи регрессионный анализ был применен как для линейных, так и для логарифмических величин параметров. В табл. 5.2 для каждой пары параметров приведены комбинации, характеризующиеся максимальной величиной коэффициентов взаимной корреляции. Таблица наряду с упоминавшимися ранее параметрами содержит ряд новых: F макс максимальный поток осадков из облаков, км 2 мм/ч: F макс = (Σ I j S o ) макс, где I j интенсивность осадков в j-м элементе зоны; S o площадь элементарной ячейки цифрокарты, равная 4 км 2 ; S интегральная площадь радиоэха осадков за время жизни облака S = Σ S i, где S i 185

186 площадь осадков в i-й момент времени; Q количество осадков из облака за время его жизни: Q = Σ F j Δt i, где F j поток осадков в в i-й момент времени; Δt i временной интервал между последовательными радиолокационными измерениями. Из табл. 5.2 видно, что для максимальной площади осадков наибольшая корреляция была пoлучена при применении регрессионного анализа к линейным величинам, а для высоты первого радиoэха log log величинам. Для остальных параметров наибольшая связанность получилась между величиной Н макс и логарифмами величин I макс, F макс, Q, T и S. Kaк и ожидалось, наблюдается хорошая корреляция мeжду высотой конвективных облаков на КМП и количеством осадков (r = 0,84), максимальными величинами площади (r = 0,66), интенсивности (r = 0,66) и потока осадков (r = 0,69), временем жизни облака (r = 0,61) и суммарной площадью осадков за время жизни облака (r = 0,67). Из табл. 5.2 также следует, что чем больше была высота первого радиоэха Н о, тем большей высоты оно достигало в ходе своего развития. Таким образом, результаты регрессионного анализа радиолокационных данных по изолированным конвективным облакам, наблюдавшимся на КМП в августе сентябре I986 г., свидетельствуют о том, что более мощные конвективные облака дают и большее количество осадков. Причем это достигается за счет большей горизонтальной протяженности зон осадков, их большей интенсивности и большего времени их жизни. При этом уравнение линии наилучшей связи максимальной высоты радиоэхо Н макс и количества выпавших из облака осадков (рис. 5.8), найденное по методу наименьших квадратов, имеет вид: lg Q = 0,23 Н макс 0,36, что указывает на показательный характер связи количества осадков с максимальной высотой радиоэха: Q = 0, ,23 Нмакс. Полученные для КМП результаты анализа радиолокационной информации, свидетельствующие о связи вертикального размера конвективных облаков с количеством выпадающих из них осадков, находятся в хорошем согласии с результатами, полученными в 1979 г. в Южной Флориде в ходе выполнения FACE-2 [252] и в 1982 г. в проекте в Северной Дакоте (ND CMP-82) [374]. 186

187 Рис Зависимость количества осадков из изолированных конвективных облаков от максимальной высоты радиоэха Н макс. Цифры на графике характеризуют количество пар значений, попадающих в одну точку Связь количества осадков с их интегральной площадью. Как следует из табл. 5.2 наиболее высокая степень корреляции (r = = 0,95) наблюдается для пары характеристик количество осадков (Q) и их интегральной площади (S) (рис. 5.9). Наличие такой взаимосвязи исследовалось различными авторами. Так, например, в работе [108] показано, что в Северной Дакоте корреляция между количеством осадков и их интегральной площадью оказалась равной 0,98. Рис Зависимость количества осадков из изолированных конвективных облаков от суммарной площади осадков S. Цифры на графике характеризуют количество пар значений, попадающих в одну точку 187

188 Следует отметить, что для КМП уравнение наилучшей связи между количеством осадков и интегральной площадью имеет вид: lgq = 1,24 lg S 0,51, что указывает на степенной характер связи этих характеристик: Q = 0,31 S 1,24. Для сравнения соотношение аналогичной связи, полученное для Северной Дакоты [281], имеет вид: Q = 1,25 S 1,09. Видно, что коэффициенты связи для КМП и полигона в Северной Дакоте различны, что указывает на их зависимость от географического района. Эволюция радиолокационных характеристик изолированных конвективных о6лакoв. Наличие пoдро6нoй радиолокационной информации об изолированных конвективных облаках на КМП позволило исследовать эволюцию их радиолокационных характеристик. Так, например, было оценено время, через которое после появления первого радиоэха достигаются максимальные величины площади, интенсивности и потока осадков, максимальная высота радиоэха. Была прослежена зависимость эволюции параметров от продолжительности существования радиоэха, его мощности. Некоторые из наиболее интересных результатов исследований приведены в табл Таблица 5.3 Коэффициенты корреляции между временами достижения максимальных величин характеристик изолированных конвективных облаков на КМП T Iмакс T Нмакс T Sмакс T Нмакс T Fмакс T Нмакс T Sмакс T Iмакс T Hмакс H макс Коэфф. коррел. 0,72 0,78 0,77 0,79 0,58 T Iмакс H макс T Sмакс H макс T Fмакс H макс T Sмакс I макс T Sмакс S макс Коэфф. коррел. 0,49 0,57 0,51 0,49 0,70 Таблица 5.4 Коэффициенты корреляции между характеристиками изолированных конвективных облаков и временем жизни Т H макс S макс I макс F макс T Нмакс T Sмакс T Iмакс T Fмакс Коэфф. коррел. 0,60 0,69 0,58 0,59 0,77 0,85 0,76 0,79 188

189 Таблица 5.5 Характеристики изолированных конвективных облаков в зависимости от максимальной высоты радиоэха H макс H макс, км Кол. обл H макс, км 0,9 1,7 2,7 3,6 4,6 5,5 6,6 7,5 8,5 9,5 10,6 11,7 12,4 Т, мин 12,1 13,5 15,7 16,9 21,8 26,8 34,7 41,6 48,3 56,6 76,6 73,5 77,9 S макс, км 2 7,4 7,6 12,8 13,8 18,6 23,6 30,9 39,2 49,2 58,5 60,0 86,0 114,9 I макс, мм/ч 1,7 1,7 2,0 2,5 3,8 5,1 8,6 13,7 18,8 28,8 23,0 56,8 45,9 T Нмакс, мин 5,0 5,2 6,2 7,6 8,6 10,3 14,4 23,4 27,1 35,5 43,0 35,0 45 T Sмакс, мин 7,1 8,0 8,5 10,0 13,5 17,1 20,0 27,1 29,4 38,9 45,8 47,0 60,0 T Iмакс, мин 7,1 8,8 7,7 9,8 12,2 15,0 17,7 24,0 21,3 30,5 28,3 31,0 42,1 Из приведенной в таблицах информации видно, что с увеличением мощности облаков наблюдается увеличение времени, необходимого для достижения в облаке максимальной высоты, площади и интенсивности осадков. В зонах, живущих менее мин, максимальная высота радиоэха 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. Таким образом, приведенные выше результаты анализа радиолокационных данных, полученных на КМП в 1986 г., свидетельствуют о наличии взаимосвязи вертикальной мощности изолированных конвективных облаков с количеством выпадающих из них осадков, с площадью осадков и продолжительностью их выпадения. Так, более мощные облака дают большее количество осадков, имеют большую площадь и время жизни. Найденная взаимосвязь может быть использована для оценки количества осадков на 189

190 КМП по данным об их площади, получаемым с помощью спутниковых и радиолокационных измерений [13] Результаты радиолокационно-радиометрического зондирования конвективных облаков на КМП Успешность воздействия на облака льдообразующими реагентами с целью ИРО зависит от наличия в облаках переохлажденной жидкокапельной влаги. Информация о наличии и количестве переохлажденной воды на разных стадиях развития облачности также очень важна для развития физических представлений о процессе осадкообразования в конвективных облаках тропической зоны. Традиционно исследования водности в переохлажденной части облаков проводятся с помощью контактных датчиков во время пересечения облаков самолетом на высотах выше уровня нулевой изотермы. Однако, по условиям безопасности полетов пересечение большого класса облаков, и особенно конвективных, оказывается невозможным. Обнаружение и измерение интегрального содержания переохлажденной жидкокапельной влаги в облаках можно проводить средствами СВЧ-радиометрического зондирования, рассмотренного в главе 3 и работах [108, 303]. С этой целью в ЦАО была разработана и установлена на СМЛ Ил-18 и АН-12, а также на кубинском самолете СМЛ Ан-26 СВЧ-радиометрическая аппаратура. Наличие на КМП радиолокатора МРЛ-5, оборудованного системой АЦОРС, позволило провести комплексное радиолокационно-радиометрическое зондирование конвективных облаков на полигоне. СВЧ-радиометрическое зондирование проводилось на КМП в 1986 и 1987 гг. с СМЛ Ил-18 «Циклон», в 1990 г. с СМЛ Ан-12 «Циклон» и в 1991 г. с СМЛ Ан-26 [281]. Во всех сезонах использовались идентичные СВЧ-радиометры 8-мм диапазона длин волн. Основной материал, результаты анализа которого приводятся ниже, был получен в сезонах 1987 и 1991 гг. Геометрия зондирования облаков с самолета, использовавшаяся в эти сезоны, приведена на рис Видно, что полеты рядом с облаком выше уровня нулевой изотермы позволяют получить информацию о водозапасе облаков в слое температур 5 20 о С. Такая геометрия полетов без захода в облака практически снимает ограничения по безопасности полетов СМЛ.

191 Рис Схема СВЧрадиометрического зондирования в 1987 и 1991 гг. На рис приведены дифференциальные и кумулятивные распределения водозапасов в облаках для сезонов 1987 г. (а) и 1991 г. (б). На графиках четко прослеживается различие водозапасов облаков для рассмотренных сезонов. Так, в 1987 г. наиболее вероятными являлись водозапасы около 0,5 кг/м 2 при среднем значении 1,2 кг/м 2, а в 1991 г. 1,5 кг/м 2 и 2,5 кг/м 2, соответственно. При этом около 20% облаков имели водозапас более 2,5 кг/м 2 в сезоне 1987 г. и более 4,2 кг/м 2 в сезоне 1991 г. Обнаруженные различия водозапасов связаны с тем, что в 1987 г. облака исследовались в сентябре-октябре, а в 1991 г. в июле августе. Рис Дифференциальные ( ) и кумулятивные ( ) распределения водозапасов в облаках на КМП в 1987 г. (а) и 1991 г. (б) 191

192 На рис приведены дифференциальные и кумулятивные распределения масштабов водных зон. Как и для случая водозапаса наблюдается различие в протяженности водных зон для разных сезонов. Так, в 1987 г. наиболее вероятный масштаб зон был около 2 км при втором максимуме на масштабе 6 км, а в 1991 г. наблюдалось 3 максимума на масштабах 3, 6 и 10 км. Наличие в 1991 г. максимума на масштабе 10 км, по-видимому, связано с исследованием протяженных (до км) и узких (20 30 км) линий облаков и осадков. 192 Рис Дифференциальные ( ) и кумулятивные ( ) распределения горизонтальных масштабов водных зон в переохлажденной части облаков на КМП в сезонах 1987 г. (а) и 1991 г. (б) Наличие данных о водозапасе облаков и о масштабах водных зон, позволяет оценить среднюю водность в зондируемом сечении облака. Дифференциальные и кумулятивные распределения определенной таким образом средней водности представлены на рис Видно, что для обоих сезонов наиболее вероятной оказалась средняя водность около 0,1 г/м 3, в то же время дифференциальные распределения весьма широкие и равновероятными оказались значения водности 0,2 г/м 3 и 0,3 г/м 3. По кумулятивной кривой можно

193 сказать, что практически каждое пятое облако имеет водность больше 0,5 г/м 3. Приведенные на рис данные находятся в хорошем согласии с результатами контактных самолетных измерений водности, полученными с помощью Ан-26 при пересечении контрольных облаков на высоте 5,5 6 км. Так, в течение мин после появления первого радиоэха по данным прямых измерений средние значения водности в переохлажденной части облаков лежали в пределах от 0,1 до 0,9 г/м 3 [24, 39]. Рис Дифференциальные ( ) и кумулятивные ( ) распределения средней водности в переохлажденной части облаков на КМП в сезонах 1987 г. (а) и 1991 г. (б) Как отмечалось выше, самолетные исследования облаков на КМП сопровождались детальными радиолокационными наблюдениями за структурой радиоэха облачности. Наличие подробной радиолокационной информации о высоте радиоэха, площади облаков и осадков, интенсивности и количества осадков и данных СВЧ-радиометрических измерений позволило оценить водозапас тропических конвективных облаков на различных стадиях их развития. 193

194 На рис приведен пример комплексного исследования изолированного конвективного облака, наблюдавшегося на КМП 17 сентября 1987 г. Радиоэхо от облака существовало 45 минут. Анализ данных радиолокационных и прямых самолетных измерений характеристик облаков на КМП, показал, что наибольшую водность облака имеют в первые мин после появления первого радиоэха. Рис Временной ход водозапаса (W), высоты верхней границы (Н), максимальной радиолокационной отражаемости (Z) и площади осадков (S) для изолированного конвективного облака, наблюдавшегося на КМП 17 сентября 1987 г. Из сравнения характера изменения радиолокационных характеристик и водозапаса облака (рис. 5.14) видно, что во время первых двух пролетов СМЛ, приходящихся на стадию роста облака, по данным радиометрических измерений зафиксирован максимальный водозапас 0,78 кг/м 2 (через 5 мин после появления первого радиоэха) и 1,90 кг/м 2 (через 9 мин), т.е. за 4 мин наблюдается увеличение водозапаса в 2,5 раза. В третьем пролете (через 21 мин после первого радиоэха) наблюдается уменьшение водозапаса до 0,98 кг/м 2. По данным же радиолокационных наблюдений за это 194

195 время высота облака выросла с 6 до 9 км, в 2 раза увеличилась площадь осадков, их интенсивность, т.е. при росте радиолокационных параметров наблюдается уменьшение водозапаса в переохлажденной части облака. При четвертом проходе (через 26 мин после появления первого радиоэха), приходящемся на стадию диссипации облака, водозапас в его переохлажденной части падает до 0,40 кг/м 2. Таким образом, в результате комплексных радиолокационных и СВЧ-радиометрических исследований облаков на КМП: 1) получены данные о водозапасе, размерах и средней водности зон переохлажденной капельной воды в конвективных облаках тропической зоны; 2) обнаружено, что запас переохлажденной воды наблюдается в стадии роста облаков и облака пригодны для засева льдообразующими реагентами в первые мин после появления первого радиоэха Эволюция характеристик конвективных облаков на КМП при их естественном развитии и при засеве льдообразующим реагентом При проведении экспериментальных работ по ИУО на КМП большое внимание было уделено исследованию эволюции характеристик конвективных облаков, развивающихся над полигоном, а также определению размеров «временного окна», в течение которого облака пригодны для засева льдообразующим реагентом. В настоящем разделе приведены некоторые результаты анализа данных радиолокационных, СВЧ-радиометрических и контактных самолетных измерений характеристик незасеянных и подвергшихся воздействию аэрозолями йодистого серебра конвективных облаков тропической зоны. Экспериментальный материал, использовавшийся при анализе, был получен в гг. с помощью радиолокатора МРЛ-5 и СМЛ Ил-14, Ан-26 и Ил-18 «Циклон», оборудованных научно-исследовательской аппаратурой [30]. Эксперименты по воздействиям на облака, проведенные в различных географических районах, позволяют заключить, что, несмотря на большое различие в структуре облаков, имеется ряд облачных характеристик, которые являются наиболее важными и, в то же время, наиболее общими при выборе облаков для воздействия льдообразующими реагентами с целью ИРО. К таким харак- 195

196 теристикам относятся [288, 314]: 1) наличие в облаке достаточно мощного слоя переохлажденных облачных капель и достаточно низкая концентрация ледяных кристаллов (N к не более 5 л -1 ) в этом слое; 2) на момент воздействия облако должно находиться в стадии роста (средняя скорость вертикальных потоков W > 1,5 м/с). В работах [105, 270, 314] показано, что облако может удовлетворять указанным критериям лишь на протяжении некоторого периода в своем жизненном цикле, называемого «временным окном», в течение которого оно пригодно для воздействия. Быстрое развитие процессов кристаллизации в морских облаках, связанное с особенностями их микроструктуры (широкие спектры и большие размеры капель) [322], обуславливают малые размеры временного окна в этих облаках. В континентальных облаках, отличающихся узкими спектрами и малыми размерами облачных капель, процессы кристаллизации начинаются значительно позже, вследствие чего временное окно для этих облаков больше и они считаются пригодными для воздействий. Поскольку, как показано в работах [33, 207], конвективные облака, развивающиеся над КМП, по своей микроструктуре могут быть отнесены к облакам «промежуточного» типа, возникает вопрос определения «временного окна» для этих облаков. На рис представлена осредненная эволюция концентрации кристаллов N к (л -1 ), скоростей вертикальных потоков W (м/с), значений жидкокапельной водности w ж (г/м 3 ), коэффициента ледности К л = w л / (w л + w ж ), где w л содержание ледяной фазы, и объемно-модального радиуса капель r mv (мкм) в естественных конвективных облаках, развивающихся над КМП, построенная по данным совместных самолетных и радиолокационных измерений [33, 148, 207, 319]. С помощью самолета Ан-26 было выполнено 64 пересечения мощно-кучевых и кучево-дождевых облаков, находящихся в различных стадиях развития, с верхней границей 6 8 км. Температура на этой высоте составляла 7 20 о С. Измерения проводились на высоте 5,6 6 км (при температурах 6 11 о С). Данные радиолокационных наблюдений использовались для определения продолжительности существования облака (Т о ) и момента времени (t) относительно появления первого радиоэха, когда производились измерения метеопараметров в облаке. 196

197 Рис Эволюция концентрации кристаллов N к, скоростей вертикальных потоков V, значений жидкокапельной водности w ж, коэффициента ледности К л, объемно-модального радиуса капель r mv и водозапаса W в конвективных облаках над КМП Осредненные по всем пересечениям значения коэффициента ледности К л в исследовавшихся облаках оказалось равным 0,32, а концентрации кристаллов N к = 7,2 л -1. В течение первой трети времени «жизни» опытных облаков почти в 75% случаев значения концентраций кристаллов не превышали 5 л -1, а значения К л были меньше 0,2. Средние скорости вертикальных движений в этот период составляли 1,2 1,7 м/с. На втором этапе существования облака концентрация кристаллов резко увеличивалась, достигая максимума в последней, третьей части «жизни» облака, в то же время значения жидкокапельной водности w ж резко падали. На этом же этапе происходит быстрое убывание скоростей вертикальных движений, которые становятся отрицательными (до 0,5 м/с) на заключительной стадии жизни исследованных облаков. Падение концентраций кристаллов в конце жизни облака очевидно связано с его диссипацией и испарением облачных частиц. На рис также нанесена кривая эволюции водозапаса облака W (кг/м 2 ), полученная по данным последовательных СВЧрадиометрических измерений водозапаса в конвективных облаках в слое между 5 о С и 15 о С. Из приведенного графика видно, что 197

198 в первую треть жизни облака наблюдается рост значений W, после чего значения W, аналогично w ж, резко падают. Исходя из указанных ранее критериев и данных, представленных на рис. 5.15, временным окном для конвективных облаков, развивающихся над КМП, т.е. периодом, в течение которого они пригодны для воздействия, следует считать первую треть их жизни, что составляет в среднем мин после появления первого радиоэха, поскольку в этот период в переохлажденной части облака 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 характеристики засеянных 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. Некоторые ограниченные (что связано с необходимостью обеспечения безопасности полетов в мощно-кучевых и кучеводождевых облаках и сложностью навигационного обеспечения многократных пересечений экспериментальных облаков) результаты сравнений эволюции микрофизических и динамических характеристик засеянных и контрольных облаков приведены в работах [33, 35, 36, 39]. На рис и 5.17 приведены кривые, характеризующие временной ход изменения динамических и микрофизических параметров облаков в их вершинной части по данным многократных пересечений Ан-26 (19 засеянных и 14 контрольных облаков) [39], и в нижней части по данным Ил-14 (19 засеянных и 22 контрольных облаков) [33, 39]. Сравнения характеристик засеянных и контрольных облаков в их вершинах (рис. 5.16) показывают, что между 10-й и 15-й минутами после воздействия в группе засеянных облаков наблюдается рост максимальных значений скоростей восходящих потоков 198

199 с 6,5 до 11,8 м/с и заметное увеличение значений водности с 0,05 до 0,9 г/м 3, что свидетельствует о проявлении при засеве динамического эффекта и интенсификации внутриоблачных процессов. Ход аналогичных характеристик в контрольных облаках в течение всего срока наблюдений остается более равномерным Засев Контроль 10 W, м/с , время, мин 2,0 Засев Контроль w, г/м^3 1,5 1,0 0,5 0, время, мин Рис Изменения скоростей вертикальных потоков V и водности w для засеянных и контрольных облаков по данным СМЛ Ан-26 Из рис следует, что в первые 20 мин после воздействия в засеянных облаках наблюдается уменьшение скорости восходящих потоков и водности, а затем их увеличение. По-видимому, это связано с зарегистрированным в этот период ростом концен- 199

200 трации сверхкрупных частиц, т.е. усилением процесса осадкообразования, а последующий рост V и w с проявлением в облаках эффектов, предусмотренных динамической гипотезой воздействий. Приведенные результаты достаточно убедительно свидетельствуют о положительной реакции облаков на их засев льдообразующими реагентами Засев Контроль 8 W, м/с w, г/м^ ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Засев Контроль время, мин время, мин Рис Изменения скоростей вертикальных потоков V и водности w для засеянных и контрольных облаков по данным СМЛ Ил-14 Ниже рассмотрены результаты исследований эволюции радиолокационных характеристик засеянных и контрольных облаков, позволившие выполнить физическую оценку эффективности

201 воздействий путем сравнения эволюции параметров облаков, засеянных аэрозолями йодистого серебра, и контрольных облаков, развивающихся в естественных условиях. На рис приведены графики временного хода осредненных значений высоты верхней границы Н, площади осадков S, максимальной отражаемости Z макс и потока осадков F, определенных для засеянных и контрольных ячеек облачных кластеров. 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 Высота верхней границы радиоэхо Засев Контроль Н, км 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5, Время, мин а Максимальная радиолокационная отражаемость Засев Контроль Z, дбz Время, мин б 201

202 70 Площадь осадков Засев Контроль S макс, км^ Время, мин в Поток осадков Засев Контроль F, т/ч Время, мин г Рис Временной ход радиолокационных характеристик засеянных и контрольных конвективных ячеек: а высота верхней границы радиоэха; б максимальная радиолокационная отражаемость; в площадь осадков; г поток осадков 202

203 На представленных графиках приведены данные наблюдений, полученные за 10 мин до начала воздействий или контрольного пролета, и продолжавшихся в течение 45 мин. Следует отметить, что не все ячейки облачных кластеров имели указанные продолжительности существования, и поэтому статистическая обеспеченность кривых, приведенных на рисунке, была наиболее полной в начале измерений и уменьшалась по мере увеличения временного интервала. Согласно проведенным на КМП самолетным исследованиям облаков [30, 207, 208] ячейки кластеров на протяжении своего существования проходят через три стадии развития, так же как изолированные конвективные облака. При этом на первых двух стадиях развития смежные ячейки в облачном кластере сравнительно слабо взаимодействовали между собой, что позволяет рассматривать их как более или менее автономные «блоки» мезоструктуры с четко очерченными границами радиоэха [19]. Продолжительность существования таких блоков составила мин. Поэтому можно предположить, что приведенные на рис кривые в указанный период времени характеризуют автономные конвективные облачные ячейки. Начальные стадии формирования и роста ячеек в облачных кластерах по данным самолетных исследований [40, 207] характеризовались преобладанием во всей их толще восходящих движений, которые способствовали активному процессу облако- и осадкообразования. Об этом свидетельствует рост высоты, площади и радиолокационной отражаемости ячеек облачных кластеров (рис. 5.18). Характерной особенностью эволюции как засеянных, так и контрольных ячеек в первые 5 7 мин после засева 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 рис. 5.18, 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 203

204 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 составил м по сравнению с контрольными, радиолокационная отражаемость выросла на 4 5 дбz, площадь осадков на км 2, а потоки осадков из засеянных облаков увеличились в 1,5 2 раза. На 15-й минуте после засева поток осадков достигал своего максимального значения м 3 ч -1, в то время как у контрольных облаков поток осадков составлял м 3 ч -1. Следующая стадия стадия зрелости, когда рост высоты облачных ячеек прекратился, наступила примерно через мин после образования ячейки. Заключительная стадия стадия диссипации конвективных ячеек, подвергшихся воздействию, наступала на мин позже, чем у развивающихся в естественных условиях. При этом наблюдалось не только опускание верхних границ ячеек, но и быстрый подъем их оснований вследствие разрушения их капельных частей, ослабление осадков и их прекращение. Таким образом, анализ эволюции радиолокационных параметров засеянных и контрольных облачных ячеек позволил получить физическую оценку эффективности воздействий и наглядно продемонстрировать возможность модификации конвективных облаков на КМП путем их динамического засева льдообразующим реагентом Оценка результатов рандомизированного эксперимента В предыдущем параграфе было показано, что засев конвективных облаков с определенными параметрами приводит к модификации происходящих в них процессов и, в конечном счете, к усилению осадков. В настоящем параграфе приводятся результаты анализа опытов по воздействию на конвективные облака, выполненные на КМП в гг., с точки зрения оценки их эффективности, выраженной через количество дополнительных осадков, полученных в результате воздействий [20, 36, 42, 43, 106, 231, 260, 261, 280, 285, 298, 299]. Как отмечалось ранее, эксперимент 1985 г. носил исследовательский характер. В ходе эксперимента проверялась гипотеза динамического засева облаков с целью увеличения осадков и апро-

205 бировалась методика воздействий на конвективные облака тропической зоны. Для удобства наблюдений в качестве экспериментальных выбирались изолированные и по возможности одноячейковые облака. Методика проведения эксперимента предполагала использование двух самолетов Ан-26 и Ил-14, и двух радиолокаторов. После выбора экспериментального облака с СМЛ Ан-26 проводился засев облачных вершин по рандомизированной схеме путем отстрела пиропатронов ПВ-26 с интервалом м (в среднем пиропатронов в облако). Второй самолет Ил-14 использовался для исследования микрофизических и термодинамических характеристик облаков и осадков. Основной контроль за эволюцией экспериментальных облаков осуществлялся с помощью радиолокатора МРЛ-5. За период с 12 июня по 6 августа 1985 г. было исследовано 50 экспериментальных облаков, из которых 46 опытов (29 с воздействиями и 17 контрольных) были обеспечены радиолокационными данными. В табл. 5.6 приведены основные результаты сравнения данных по засеянным и контрольным облакам. Таблица 5.6 Средние значения радиолокационных параметров экспериментальных облаков на КМП в сезоне 1985 г. Характеристика Засев Контр. Засеянные облака Контрольные облака Н о, км Все облака <6 6 8 >8 <6 6 8 >8 Количество % Т, мин Н макс, км 8,5 8,4 6,3 9,0 10,4 6,5 8,0 11,4 Z макс, дбz Из таблицы видно, что при рассмотрении всей совокупности засеянных и контрольных облаков только по времени существования облаков (Т) наблюдается различие между ними. По двум другим параметрам максимальной высоте радиоэха Н макс и максимальной отражаемости осадков Z макс различий практически нет. Следует отметить, что облака в момент засева характеризовались различной высотой, т.е. были различного типа. Так, 28 % экспериментальных облаков были Cu cong и имели высоту радиоэха на момент пересечения Н о < 6 км (температура выше 10 о С), 52 % 205

206 были Cu cong Cb с Н о = 6 8 км (температура о С) и 20 % были Cb с Н о более 8 км (температура ниже 20 о С). Поэтому можно ожидать различную реакцию облаков на засев. В связи с этим анализ характеристик облаков был проведен по трем группам: 1) Н о < 6 км; 2) Н о = 6 8 км; 3) Н о > 8 км. Анализ стратифицированных таким образом данных (табл. 5.6) позволил сделать следующие выводы: 1) реакция конвективных облаков на засев зависит от их типа; 2) засев облаков в диапазоне высот 6 8 км приводил к их росту и увеличению продолжительности их существования и радиолокационной отражаемости, что позволяет рассматривать их в качестве перспективных для воздействия с целью получения дополнительных осадков на КМП; 3) засев кучево-дождевых облаков с Н о > 8 км привел к отрицательному эффекту; 4) засев мощно-кучевых облаков с Н о < 6 км в целом не привел к положительному эффекту, хотя в ряде случаев такие облака после засева росли и давали больше осадков, чем без засева. Таким образом, по данным самолетных и радиолокационных наблюдений за экспериментальными облаками на КМП в сезоне 1985 г. были установлены предварительные критерии пригодности изолированных конвективных облаков для засева льдообразующим реагентом с целью получения дополнительных осадков. Согласно этим критериям к пригодным для засева облакам относятся оптически плотные растущие облака с температурой на верхней границе о С, с диаметром на уровне засева > 2 км и высотой основания облака над поверхностью земли < 2000 м, с максимальным значением водности > 0,3 0,5 г/м 3 и скорости восходящих потоков > 1,5 2 м/с. В соответствии с современными требованиями к экспериментам по искусственному регулированию осадков в гг. на КМП проводилась подтверждающая фаза рандомизированного эксперимента по засеву конвективных облаков. При этом наряду с изолированными облаками производился засев облачных кластеров, представляющих собой мезомасштабные облачные образования на площади км 2, и дающих, как показали исследования, % количества осадков на КМП, в отличие от 3%-ного вклада изолированных облаков [20]. Всего за период гг. были проанализированы данные для 46 изолированных облаков (24 засеянных и 22 контрольных) и для 82 облачных кластеров (42 засеянных и 40 контрольных). 206

207 В табл. 5.7 приведены данные, использованные для анализа результатов засева изолированных облаков. В качестве основных характеристик для анализа использовались следующие радиолокационные параметры облаков: Н о высота радиоэха облака в момент его первого пересечения самолѐтом, Т о временной интервал между моментами появления первого радиоэха облака и первого пересечения облака самолетом, Z о максимальная отражаемость радиоэха осадков в момент первого пересечения, S о площадь радиоэха осадков в момент первого пролѐта самолѐта через облако, Т период существования радиоэха (время «жизни» облака), Q количество осадков, выпавших из облака, H макс максимальная высота радиоэха облака за весь период его существований, S суммарная площадь осадков за время жизни облака, Z макс максимальная радиолокационная отражаемость осадков, S макс максимальная площадь осадков за время жизни облака. Таблица 5.7 Средние значения радиолокационных параметров засеянных и контрольных изолированных экспериментальных облаков в сезонах гг. Характеристики Засеянные (З) Контрольные (К) З / К З-К 1 Н о, км 7,2 6,9 1,04 0,3 2 Т о, мин 17,3 15,0 1,15 2,3 3 Z о, дбz 31,5 35,7 0,88-4,2 4 S о, км 2 29,0 25,2 1,15 3,8 Уровень значим. 5 Т, мин 51,5 46,1 1,11 5,4 0,107 6 Q, 10 3 м 3 68,6 48,6 1,41 20,0 0,101 7 Н макс, км 8,5 8,2 1,04 0,3 0,330 8 S, км 2 272,7 206,5 1,32 66,2 0,075 9 Z макс, дбz 40,2 38,8 1,04 1,4 0, S макс, км 2 48,1 39,7 1,21 8,4 0,193 Четыре первых параметра (Н о, Т о, Z о и S о ) представляют собой исходные данные об облаках и осадках на момент первого пересечения облака самолѐтом, а шесть остальных являются выходными данными экспериментальных облаков. Анализ средних значений исходных параметров, их отношений и оценок различий с использованием критерия Манна-Уитни позволяет сделать вывод о том, 207

208 что выборки засеянных и контрольных облаков в эксперименте гг. принадлежат к единой генеральной совокупности. Из табл. 5.7 видно, что при рассмотрении всей совокупности засеянных и контрольных изолированных облаков без стратификации опытов наблюдается положительный эффект по всем анализировавшимся параметрам. Так, засеянные одиночные облака существовали в среднем на 5,4 мин дольше, имели большую на 4 % высоту радиоэха, на 4 % радиолокационную отражаемость и на 21 % площадь осадков, а также дали на 41 % больше осадков по сравнению с контрольными облаками. Оценка различия засеянной и контрольной выборок, выполненная с помощью критерия Манна-Уитни, показала, что если взять за критический уровень значимости различий между выборками величину 5 %, то ни для одного из параметров положительный эффект засева изолированных конвективных облаков не является статистически значимым. Таким образом, при анализе всей совокупности экспериментальных данных без их стратификации по каким-либо параметрам, хотя и получены признаки положительного эффекта засева, они все же не дают основания отвергнуть нулевую гипотезу, согласно которой различия «выходных» параметров засеянных и контрольных облаков могут быть обусловлены случайными причинами. Следует отметить, что анализ характеристик облаков, полученных в момент их засева или контрольного пересечения самолетом показал, что не все экспериментальные облака в эксперименте гг. удовлетворяли требованиям, вытекающим из результатов эксперимента 1985 г. Так, из 46 экспериментальных облаков только 20 (11 засеянных и 9 контрольных) (44 %) в момент засева или контрольного пересечения самолѐтом имели высоту радиоэха между изотермами 10 о С и 20 о С (в гг. изотермы 10 о С и 20 о С находились в среднем на высотах 6,5 и 8 км). 14 (по 7 засеянных и контрольных) облаков (30 %) имели высоту менее 6,5 км и 12 (по 6 засеянных и контрольных) облаков (26 %) более 8 км. В связи с этим анализ характеристик облаков был проведен так же как и для данных 1985 г. отдельно по трем группам облаков с высотами верхней границы (ВГ) радиоэха: 1) Н о < 6,5 км (Т вг > 10 о С), 2) Н о от 6,5 до 8 км (Т вг = о С) и 3) Н о более 8 км (Т вг < 20 о С). 208

209 Результаты расчета статистических характеристик радиолокационных параметров после стратификации по начальной высоте радиоэха облака Н о приведены в табл Таблица 5.8 Статистические характеристики радиолокационных параметров засеянных и контрольных изолированных экспериментальных облаков п/ п Характеристики в сезонах гг., стратифицированных по высоте Н о Н о < 6,5 км Н о = 6,5 8 км Н о > 8 км З К З К Знач. З К З К Знач. З К З К Знач. 1 Т, мин 51,4 45,0 6,4 0,20 51,4 41,1 10,3 0,03 51,7 56,7 0,26 2 Q 10 3,м 3 37,1 39,0 1,9 0,47 78,0 36,3 41,7 0,03 84,5 78,3 6,2 0,37 Н 3 макс, км 6,7 7,2 0,5 0,42 8,7 8,0 0,7 0,23 10,3 9,7 0,6 0,17 4 S, км 2 178,4 186,0 7,6 0,47 301,9 184,1117,8 0,05 327, ,7 0,26 Z 5 макс, дбz 37,6 34,7 2,9 0,33 40,6 39,0 1,6 0,15 42,2 43,2 1,0 0,17 6 S макс,км 2 29,1 37,1 8,0 0,14 54,5 39,1 15,4 0,10 58,5 43,5 15,0 0,07 Анализ приведенных в табл. 5.8 данных показал, что засеянные облака с Н о = 6,5 8 км 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. Сравнение засеянной и контрольной выборок показало, что различия между выборками по времени жизни облаков, количестве выпавших осадков и суммарной площади осадков 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 радиоэха которых на момент пролѐта самолѐта находилась между изотермами 10 0 С и 20 0 С, 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 на его верхней границе (ВГ) выше 10 о С, положительный эффект наблюдается только для времени жизни облаков и радиолокационной отражаемости. Для других параметров эффект засева был отрицательным. Для облаков с Н о > 8 км, т.е. с температурой ВГ ниже 20 о С, 209

210 наблюдается обратный эффект: отрицательная реакция на засев по времени существования облака и отражаемости и положительная по всем остальным параметрам. Однако, сравнение засеянной и контрольной выборок показала, 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. Как отмечалось в разделе 5.2, изолированные облака дают около 3 % осадков на КМП, т.е. при их возможном двукратном увеличении в результате засева облаков режим осадков на полигоне существенно не изменится. В отличие от изолированных облаков мезомасштабные облачные системы (облачные кластеры) дают % количества осадков на КМП и, следовательно, являются более благоприятными объектами для засева с целью искусственного увеличения осадков на площади полигона. В связи с этим в 1986 г. наряду с засевом изолированных облаков начался засев облачных кластеров, представляющих собой скопление однои многоячейковых конвективных облаков на площади около км 2. В сезонах гг. были получены данные для 82 облачных кластеров (42 засеянных и 40 контрольных). В качестве критериев для засева кластеров использовались критерии, применяемые для засева изолированных облаков. Среднее количество реагента на один кластер составило 850 г, что примерно в 2 3 раза превышало количество реагента, вводимого в изолированное облако. Засев кластеров проводился с применением процедуры рандомизации. Принимая во внимание, что облачные кластеры имеют более сложную структуру по сравнению с изолированными облаками, для обработки цифровой радиолокационной информации для кластеров использовался специально разработанный пакет программ, которые обеспечивали выделение в кластерах ячеек, слежение за ними и расчѐт радиолокационных характеристик как для отдельных ячеек, так и для кластера в целом. В качестве характеристик для анализа результатов воздействий использовались те же параметры, что и при анализе изолированных облаков. В табл. 5.9 приведены основные результаты сравнения данных, полученных для засеянных и контрольных кластеров. Анализ средних величин исходных параметров (Н о, Т о, Z о и S о ), их отно- 210

211 шений и оценок различий с использованием критерия Манна- Уитни, показал, что экспериментальные выборки засеянных и контрольных облаков взяты из единой генеральной совокупности. Таблица 5.9 Средние значения радиолокационных параметров засеянных и контрольных ячеек облачных кластеров в сезонах гг. При сравнении конечных параметров засеянных и контрольных ячеек кластеров без стратификации опытов наблюдается положительный эффект засева по всем анализируемым параметрам. Проверка статистической значимости эффекта показала, что для максимальной высоты радиоэха, количества осадков и времени жизни разности Н макс = 0,8 км, Q = 58, м 3 и Т = 6,9 мин оказались статистически значимыми (т.е. ниже уровня 0,05). Для остальных параметров оценки различий имеют уровень значимости выше 0,05, т.е. являются статистически незначимыми. В связи с этим анализ характеристик для облачных кластеров был проведен также как и для изолированных облаков отдельно по трем группам. Результаты анализа данных со стратификацией ячеек по Н о приведены в табл Из табл видно, что засев ячеек с Н о < 6,5 км практически не даѐт положительного эффекта по количеству осадков. В группе ячеек с Н о > 8 км положительный эффект наблюдается по всем параметрам. Однако оценка эффекта воздействия по критерию Манна-Уитни показывает, что различия для всех параметров засеянных и контрольных облаков в обеих рассматриваемых группах не являются статистически значимыми. В то же время для группы яче- Характеристики ячейки (З) ячейки (К) значим. Засеянные Контрольные Уровень З / К З К 1 Н 0, км 7,2 7,2 1, Т 0, мин 12,6 12,6 1, Z 0, дбz 33,7 34,7 0,97-1,0 4 S 0, км 2 34,6 35,0 0,99-0,4 5 Т, мин 55 48,1 1,14 6,9 0,017 6 Q, 10 3 м 3 196,3 136,6 1,43 58,7 0,042 7 Н макс, км 10,5 9,7 1,08 0,8 0,037 8 S, км 2 436,8 367,6 1,19 69,2 0,071 9 Z макс, дбz 43,4 43,1 1,00 0,3 0, S макс, км 2 73,0 65,3 1,12 7,7 0,

212 ек кластеров с Н о = 6,5 8,0 км, т.е. с высотой облачности между изотермами 10 о С и 20 о С, по четырѐм основным параметрам Т, Q, Н m и S m получен значимый результат. В этой группе засеянные ячейки имели в среднем время жизни на 10,1 мин больше, дали осадков на 65 % больше, были на 1,6 км выше и имели площадь выпадения осадков больше, чем контрольные ячейки облачных кластеров. Таблица 5.10 Статистические характеристики радиолокационных параметров засеянных (З) и контрольных (К) ячеек облачных кластеров, стратифицированных по Н о Ха- Н рак- о < 6,5 км Н о = 6,5 8 км Н о > 8 км тери- стики З (14) К (11) З К Знач. З (19) К (23) З К Знач. З (9) К (8) З К Знач. Т, 1 47,9 42,3 5,6 0,30 58,4 48,3 10,1 0,03 58,9 52,5 6,4 0,29 мин Q 10 3, 2 м 3 106,5 103,0 3,5 0,92 210,9 127,5 83,4 0,05 306,1 178,6 127,5 0,21 Н 3 макс, 9,5 8,9 0,6 0,54 10,9 9,3 1,6 0,01 11,6 11,4 0,2 0,72 км 4 S, км 2 340,9 303,4 37,5 0,65 474,5 357,8 116,7 0,09 523,6 417,9 105,7 0, Z макс, 41,1 39,4 1,7 0,57 43,9 43,3 0,6 0,70 46,2 45,4 0,8 0,67 дбz S макс, км 2 61,0 61,5-0,5 0,98 79,8 62,2 17,6 0,03 82,7 66,9 12,8 0,45 Естественно представляет интерес сравнить полученные в Кубинском эксперименте результаты с результатами аналогичных экспериментов, выполненных в различных географических районах. Ниже приводятся результаты такого сравнения. Для сравнения использовались материалы, полученные в проводившихся практически одновременно с Кубинским экспериментом трех рандомизированных проектов по динамическому засеву конвективных облаков: на Пензенском полигоне в Поволжье, расположенном в сугубо континентальном климате [42, 103]; Юго-Западная кооперативная программа SWCP по увеличению осадков в Техасе (г. Биг Спринг, США) [325, 326, 381] и эксперимент на расположенном в гористой местности полигоне в Таиланде [326, 380]. Результаты засева конвективных облаков на Кубе, в Поволжье и Техасе приведены в табл и 5.12.

213 Таблица 5.11 Результаты засева одиночных конвективных облаков на Кубе и в Поволжье Параметры Куба Поволжье Засев Контроль Засев/Контр. Засев Контроль Засев/Контр. Q 10 3, м 3 78,0 36,3 2,15 72,0 44,4 1,62 Н макс, км 8,7 8,0 1,09 8,0 6,7 1,19 S макс, км 2 54,5 39,1 1,39 40,2 35,4 1,14 Z макс, дбz 40,6 39,0 1,04 40,3 39,4 1,02 Т, мин 51,4 41,1 1,25 61,5 55,5 1,11 Кол-во опытов Таблица 5.12 Результаты засева ячеек облачных кластеров на Кубе и в Техасе Параметры Куба Техас Засев Контроль Засев/Контр. Засев Контроль Засев/Контр. Q 10 3, м 3 210,9 127,5 1,65 249,2 108,3 2,30 Н макс, км 10,9 9,3 1,17 10,1 9,4 1,07 S макс, км 2 79,8 62,2 1,28 82,2 57,6 1,43 Z макс, дбz 43,9 43,3 1,01 45,8 45,3 1,01 Т, мин 58,4 48,3 1,21 60,0 44,1 1,36 Кол-во опытов Из приведенных в таблицах данных видно, что, несмотря на различные условия формирования и некоторые различия исходных параметров одиночных облаков и ячеек кластеров, исследованных в различных географических районах, были получены достаточно близкие результаты эффективности воздействий. Так в среднем из одиночных засеянных облаков на Кубе и в Поволжье выпало 78 и 72 кт осадков, а из контрольных 36 и 44 кт, соответственно, что позволило получить 115 и 62 % дополнительных осадков из засеянных облаков. Из ячеек облачных кластеров (засеянной и контрольной) в среднем выпало почти в три раза большее количество осадков, чем из одиночных облаков. На Кубе среднее количество осадков из засеянной ячейки составило 211 кт (контрольной 127 кт), а в Техасе 249 и 108 кт, соответственно. Засеянные ячейки на Кубе дали на 65 %, а в Техасе на 130 % большее количество осадков, чем контрольные ячейки. Для сравнения при засеве конвективных облаков над заданной площадью в Таиланде было получено на 69 % большее количество осадков, чем их выпало из контрольных облаков [380]. 213

214 Одной из причин наблюдаемых различий эффективности воздействий, полученных в различных экспериментах, безусловно, является неучет в выборках засеянных и контрольных облаков (ячеек) влияния на эффективность воздействий синоптических ситуаций, приводящих к созданию на метеополигонах различных условий увлажнения в периоды проведения опытов по засеву облаков. Так исследования, выполненные на Кубе [11], показали, что даже при однотипных синоптических ситуациях на КМП могут наблюдаться периоды с различными условиями увлажнения. Во влажные периоды (когда на более, чем 30 % дождемерных пунктов, расположенных на полигоне, выпадали осадки в среднем более 3 мм) засеянные облака давали значительно большую (в 1,6 2,4 раза) добавку осадков, чем при воздействиях в сухие периоды (в 1,3 1,6 раза). Таким образом, в результате анализа экспериментального материала, полученного в период поведения на КМП подтверждающей фазы эксперимента по засеву конвективных облаков с целью увеличения осадков, была достаточно убедительно продемонстрирована возможность модификации изолированных конвективных облаков и ячеек облачных кластеров путѐм их динамического засева. Так засев растущих конвективных ячеек с температурой на уровне верхней границы в диапазоне о С сопровождается их большим вертикальным ростом, увеличением времени существования, площади радиоэха осадков, их отражаемости и, как следствие этих изменений, увеличением (в среднем почти в 2 раза) осадков из засеянных одиночных облаков и ячеек кластеров по сравнению с незасеянными. 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. Заметное влияние на эффективность воздействий оказывают метеорологические условия, обуславливающие различные условия увлажнения на метеополигонах в периоды проведения опытов по воздействиям. 214

215 Глава 6. МЕТЕОЗАЩИТА МЕГАПОЛИСОВ МЕТОДАМИ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 6.1. Концепция метеозащиты мегаполисов В работах по АВ на гидрометеорологические процессы на протяжении более чем полувековой истории их развития в Советском Союзе, а с 1991 г. в России большое внимание уделялось разработке методов и средств для рассеяния облаков и туманов, для ослабления и предотвращения осадков на защищаемой территории [10, 27, 28, 44, 46, 82, 90, 91, 97, , 129, 156, 173, 198, 206, 282]. Выполнение таких исследований обусловлено в основном тремя обстоятельствами: 1) стремлением уменьшить негативные последствия от сильных дождей, приводящих к наводнениям, и снегопадов; 2) обеспечение безопасности функционирования наземного и воздушного транспорта; 3) необходимостью создания благоприятных условий для жителей городов при проведении спортивных и праздничных мероприятий под открытым небом. В последние лет со стороны Правительства РФ, Правительства Москвы и руководства других регионов России проявляется значительный интерес к вопросу улучшения условий погоды в крупных городах методами активных воздействий. Проведение работ по АВ с целью улучшения погодных условий требует решения целого ряда методических вопросов, в частности, как, где, когда и какими реагентами надо проводить воздействия, а также вопросов получения объективной оценки результатов воздействий. В настоящей главе монографии приводится описание используемых российскими специалистами в работах по метеозащите мегаполисов методов искусственных воздействий на облака, рассматриваются вопросы планирования, организации и технического обеспечения этих работ, а также описание методов оценки и результатов выполненных с 1995 г. опытно-экспериментальных работ по созданию благоприятных условий погоды в различных регионах России и ближнего зарубежья. 215

216 Известно, что основой в подходе к разработке почти всех способов искусственного воздействия на гидрометеорологические процессы является использование неустойчивого состояния облачной атмосферы. При этом среди разных видов неустойчивости наиболее важное значение для возможности искусственного регулирования погодных условий имеют неустойчивость фазового состояния облачной воды (существование в облаках переохлажденной жидко-капельной влаги) и конвективная (вертикальная) неустойчивость атмосферы [85, 111, 162, 192, 193]. В первом случае оказывается возможным осуществить искусственную кристаллизацию переохлажденных объемов облачности, что, в свою очередь, существенно меняет кинетику процессов осадкообразования. Во втором случае можно воспользоваться для разрушения конвективных облаков той же самой энергией атмосферной неустойчивости, которая обусловила их развитие. Необходимо лишь направить искусственным образом реализацию этой энергии в обратном направлении путем преднамеренного создания в облаке нисходящего движения, которое приводит к его разрушению. Из числа подходов, разработанных российскими специалистами для решения проблемы искусственного регулирования погодных условий, в зависимости от синоптической ситуации могут применяться различные методы воздействия на гидрометеорологические процессы в атмосфере или разные комбинации таких методов. Практическое применение получили следующие методы [114, 115, 136, 173, 282]: 1. Метод рассеяния слоистообразной облачности; 2. Метод инициирования 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. Метод «перезасева» интенсивный засев натекающей на защищаемую территорию осадкообразующей облачности с целью снижения в ней эффективности осадкообразования вследствие создания в ней больших концентраций ядер кристаллизации; 4. Метод динамического разрушения мощных кучево-дождевых облаков для предотвращения ливней и гроз. 216

217 Общей чертой для всех этих методов, кроме метода разрушения, является засев переохлажденных объемов облачности льдообразующими реагентами (кристаллизующие реагенты типа йодистого серебра AgJ или хладореагенты твердая углекислота СО 2, жидкий азот N 2 ) [85, 111, 129, 145, 156, 192]. Такой засев приводит к значительному увеличению в переохлажденном объеме облачности количества ледяных ядер, на которых начинается активный рост ледяных кристаллов, являющихся зародышами частиц осадков. При этом в зависимости от используемого метода АВ вводимое в облако количество ядер путем регулирования расхода реагента выбирается оптимальным для инициирования (в случае рассеяния облаков) или интенсификации (в случае инициирования преждевременного выпадения осадков) процесса осадкообразования. Рассмотрим подробнее каждый из четырех перечисленных выше методов Рассеяние слоистообразной облачности Рассеяние однослойных и многослойных слоистых облаков слоистых St, слоисто-кучевых Sc и высокослоистых As осуществляется путем засева льдообразующими реагентами облачных слоев, характеризующихся наличием переохлажденной облачной воды [23, 71, 111, 129, 136, 145, 156]. После введения в облако льдообразующего реагента при благоприятных условиях, определяемых в основном наличием переохлажденной облачной воды при температуре ниже 1 о С (при воздействии жидким азотом), ниже 3 о С (при воздействии твердой углекислотой) и ниже 6 о С (при воздействии йодистым серебром), начинается интенсивный процесс кристаллизации облака и через 5-10 минут регистрируется выпадение из него ледяных кристаллов. В результате образования и выпадения на землю частиц осадков обеспечивается рассеяние засеваемых слоев, а также частичное или полное рассеяние расположенных ниже теплых облачных слоев за счет их "вымывания" падающими сквозь них частицами осадков. Активные воздействия на натекающую на защищаемую территорию (ЗТ) слоистообразную облачность производятся с самолетов гранулированной твердой углекислотой, жидким азотом или пиротехническими средствами, а также комбинацией указанных 217

218 средств. Засев производится вдоль трассы, перпендикулярной направлению ветрового переноса облачности на удалении от ЗТ, несколько превышающем дальность одночасового ветрового переноса облаков (20 50 км). Такое время необходимо для того, чтобы образующиеся при засеве облачных масс частицы осадков успели вырасти и выпасть на землю еще до достижения несущей их воздушной массой площади ЗТ. При проведении работ по засеву облаков значение расстояния упреждения и длины трассы засева обычно рассчитывается по данным радиоветрового или самолетного зондирования атмосферы, а также по данным радиолокационных наблюдений за переносом облачности и осадков. Для успешного воздействия с целью рассеяния переохлажденных облаков над ЗТ необходимо правильно определить дозировку (норму расхода) вводимого реагента. Для полного рассеяния облаков должно выполняться определенное соотношение между количеством введенных ледяных частиц и количеством облачных капель в единице объема. Согласно теоретическим оценкам, оптимальным считается отношение количества вводимых ядер кристаллизации к количеству переохлажденных капель, равное 1/1000 [156]. При этом будет обеспечиваться рост ледяных частиц до размеров частиц осадков. В случае введения недостаточного количества кристаллов облако полностью не рассеивается. При введении избыточного количества кристаллов укрупнение их до размеров частиц выпадающих осадков не происходит, облако не рассеивается, а превращается в кристаллическое [192]. Основными параметрами, определяющими оптимальные нормы расхода реагента, являются: температура облачного слоя, его мощность, микрофизическое строение, скорость ветра и турбулентный обмен в облаках, а также макросиноптические условия, определяющие общую тенденцию развития или разрушения облачности. Многообразие сочетаний, в которых встречаются указанные параметры, не позволяет установить зависимость нормы расхода реагента от каждого из них. В пределах диапазона метеорологических условий, при которых эффективен метод воздействия с применением твердой углекислоты, наиболее легко практически учитываемым параметром является мощность облачного слоя. Поэтому при проведении экспериментов обычно определяется зависимость нормы расхода реагента от мощности облака. 218

219 Результаты исследований [78, 136] показали, что при засеве слоистообразных облаков типа St, Sc и As твердой углекислотой с целью их рассеяния норма расхода реагента составляет от 0,3 до 2,0 кг/км в зависимости от вертикальной мощности засеваемого облачного слоя. В частности, при мощности слоя менее 300 м норма расхода составляет 0,3 кг/км, при вертикальной мощности м 0,4 кг/км, м 0,5 кг/км, м 0,8 кг/км, м 1 кг/км и при мощности слоя до 2 км рекомендуемая норма расхода СО 2 возрастает до 2 кг/км. В табл. 6.1 приведены оптимальные нормы расхода твердой углекислоты (М опт ) при разной мощности облаков ( Н), определенные в результате выполненных на ЭМП 256 экспериментов по воздействию СО 2 на внутримассовые слоистообразные облака и туманы, в которых температура была ниже минус 3 0 С (т.е. ниже температурного порога эффективного действия СО 2 ) [156]. Вертикальная мощность облачных слоев, которые подвергались воздействию, изменялась в пределах м. Температура на уровне верхней границы колебалась от минус 5,1 до минус 19,8 о С. Скорость ветра в облаках, подвергавшихся воздействию, изменялась от 1 до 22 м/с, но в большинстве случаев она не превышала м/с. В экспериментах испытывались нормы расхода реагента от 100 до 2000 г на 1 км пути полета самолета. В табл. 6.1 указаны предельные значения скорости ветра (U макс ), при которых достигалось полное рассеяние облаков. Таблица 6.1 Оптимальные нормы М опт расхода СО 2. в зависимости от мощности облаков Н и максимальной скорости ветра U макс Н, м U макс, м/с М опт, г/км Результаты экспериментов показывают, что образование сплошной зоны рассеяния при засеве отдельных линий возможно при скорости ветра до м/с. При больших скоростях ветра даже значительное увеличение дозировок СО 2 не приводит к улучшению эффекта. Более того, при больших нормах введения твердой углекислоты (более чем 2 3-кратное превышение оптимальной дозировки), в облаках может наблюдаться перезасев, при ко- 219

220 тором облако превращается в кристаллическое, и его рассеяние происходит весьма слабо. В приведенной в табл. 6.1 информации о рассеянии переохлажденных облаков рассматриваются результаты воздействий на слоистообразные облака вертикальной мощностью менее 750 м. Результаты численного моделирования с использованием разработанной нестационарной двумерной микрофизической модели искусственной кристаллизации переохлажденного слоистообразного облака [23] показали, что при увеличении линейного расхода СО 2 до 5 кг/км возможно полное рассеяние переохлажденных облаков мощностью до 1,3 км и водозапасом до 300 г/м 2. Результаты численного моделирования были подтверждены результатами проведенных экспериментов по засеву облаков мощностью 0,5 1,5 км с применением увеличенных дозировок твердой углекислоты М = 1 6 кг/км [23]. Результаты экспериментов (см. рис. 6.1) показали, что максимальная ширина полосы кристаллизации находилась в диапазоне 3,0 7,7 км, при этом максимальная ширина зоны просвета составляла в среднем 80 % ширины полосы кристаллизации. Зона просвета появлялась через мин после засева, время ее существования было мин. Положительный эффект (полное рассеяние облаков) наблюдался в 35 опытах из 37 проведенных, т.е. в 95 % случаев. Рис Зависимость ширины полос кристаллизации (L) и скорости их расширения (V) от линейного расхода твердой углекислоты (М) 220

221 Как отмечалось выше, для рассеяния слоистообразной облачности могут быть использованы кристаллизующие реагенты, в частности, йодистое серебро AgI. С помощью пиротехнических изделий, содержащих йодистое серебро и отстреливаемых вертикально вниз с самолета, летящего над облаком, можно создавать более равномерное по высоте распределение аэрозольных частиц AgI, что может иметь преимущество при рассеянии переохлажденных облаков большой толщины. По данным проведенных УкрНИГМИ 42 опытов по воздействию пиропатронами ПВ-26 (с 2 %-ным содержанием AgI) на облака нижнего и среднего ярусов с мощностью более 500 м путем отстрела единичных пиропатронов с самолета Як-40 с расстоянием между отстрелами 0,4 2,6 км, положительный эффект (полное рассеяние со смыканием зон просвета от отдельных отстрелов) наблюдался в 37 опытах, когда температура в облачном слое была менее 7 С, мощность облачного слоя находилась в диапазоне 0,5 1,1 км и расстояние между запусками было 0,4 1,7 км [23]. При этом объединение нескольких полос кристаллизации происходило при расстояниях между линиями засева 2,5 км; с понижением температуры воздуха в облаке до минус С это расстояние увеличивалось до 3,5 4,0 км. По данным [136], при воздействии на облака St, Sc, As и Ns пиропатронами ПВ (с 8 %-ным содержанием AgI) интервал между точками отстрела единичных пиропатронов выбирается в зависимости от средней температуры облачного слоя согласно табл Таблица 6.2 Интервал между единичными отстрелами пиропатронов ПВ в зависимости от средней температуры облачного слоя Средняя температура засеваемого облачного слоя, С ниже 15 Интервал между отстрелами, км 0,2 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,1 1,2 Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что оптимальные для засева слоистообразных облаков нормы расхода реагентов составляют в зависимости от температуры и толщины засеваемого 221

222 слоя от 0,1 до 3 4 кг твердой углекислоты на 1 км трассы полета или одну серию из четырех пиропатронов ПВ на каждые 5 8 км пути. При засеве относительно тонких слоев облачности жидким азотом его расход составляет до 50 мл/км [136]. В качестве иллюстрации результатов воздействий на слоистообразные облака на рис. 6.2 приведены цифрокарты радиолокационной отражаемости осадков, полученные в 17:30 и 18:40, 5 сентября 1997 г. при проведении работ по улучшению погодных условий методами активного воздействия на гидрометеорологические процессы в городе Москве во время празднования 850-летия столицы России. 5 сентября над Москвой и в натекающей на нее воздушной массе наблюдалось два слоя облачности: один в интервале высот м (при температуре минус 2,7 3,5 о С), а второй на высотах м (при температуре минус 6,7 7,5 о С). В слое до 4 км наблюдался слабый ветер (10 30 км/ч), имевший преимущественно северо-восточное направление. Граница сплошного поля слоисто-кучевых облаков Sc находилась в км к востоку и северо-востоку от Москвы. На основе результатов пробных засевов облачности, выполненных самолетом-метеолабораторией Ан-26 «Циклон» к востоку от Москвы, в 15 ч в Оперативном центре управления работами было принято решение приступить к засеву натекающего на Москву облачного поля с целью его рассеяния. Засев слоистой облачности выполнялся двумя вертолетами МИ-8 и двумя самолетами Ан-30 в северо-восточном секторе на удалении км от центра города. Засев выполнялся жидким азотом и твердой углекислотой. Как показали визуальные наблюдения с самолетов и вертолетов, в результате засева в сплошном облачном поле образовывались отчетливые полосы просветов, постепенно расширявшиеся и сливавшиеся между собой по мере смещения по направлению на юго-запад на площадь города. В этот же период радиолокационный комплекс АКСОПРИ в Крылатском фиксировал в км от восточной границы города зону выпадения слабых осадков, образующихся при рассеянии облачности. Эта зона хорошо видны на цифрокартах отражаемости осадков, приведенных на рис Из цифрокарт видно, радиоэхо от осадков наблюдались только в зонах засева 222

223 облаков, нанесенных на карты в виде отрезков сплошных линий. Величины отражаемости искусственных осадков не превышали значений dbz, т.е. интенсивность искусственных осадков не превышала 0,5 0,7 мм/ч. Таким образом, воздействия на слоистообразную облачность, проведенные 5 сентября 1997 г., привели к частичной или полной диссипации облачности над городом. Рис Цифрокарты радиолокационной отражаемости осадков в 17:30 и 18:40 5 сентября 1997 г. по данным АКСОПРИ (Крылатское) и линии засева облаков 223

224 Инициирование преждевременного выпадения осадков Второй способ воздействий инициирование преждевременного выпадения осадков из облачности основывается на технологии воздействий, близкой к первому способу воздействий с целью рассеяния облаков и туманов. Многочисленные исследования показали, что при определенных условиях засев облаков льдообразующими реагентами может приводить к их рассеянию без выпадения осадков на земную поверхность (в случае относительно маломощных облаков или их расположения достаточно высоко в атмосфере, вследствие чего образующиеся при засеве облаков осадки испаряются, не достигая земли), либо к более раннему выпадению осадков из облаков за счет искусственного стимулирования механизма осадкообразования [44, 129, 156, 195]. В последнем случае облако "обезвоживается", не успев сместиться по ветру на большое расстояние. Полученную таким образом область, свободную от осадков, принято называть их «тенью». В этом случае воздействия также производится льдообразующими реагентами и аэрозолями, образующимися при сгорании пиротехнических средств. Период ослабления или прекращения осадков в зависимости от стратификации атмосферы может доходить до нескольких десятков минут. Соответственно, пространственная протяженность зоны ослабленных осадков, зависящая от скорости ветрового перемещения зоны, может доходить до нескольких десятков километров. При правильном расчете схемы АВ этого вполне достаточно, чтобы обеспечить перекрытие площади ЗТ зоной ослабленных осадков. Исходя из опыта проведения работ по искусственному регулированию погодных условий в мегаполисах расстояние от ЗТ, на котором необходимо производить засев облаков для получения «тени» осадков, выбирается равным дальности 0,5 0,7-часового ветрового переноса облачных масс. Это необходимо для того, чтобы осадки, уже сформировавшиеся с наветренной стороны от зоны воздействий, успели выпасть на землю, не доходя до защищаемой территории. Возможность получения «тени» осадков подробно обсуждается в обзорной работе [195], демонстрируется в работах [44, 171, 184], и подтверждается результатами опытно-экспериментальных работ по метеозащите мегаполисов, приведенными в параграфе 6.3.

225 В качестве примера на рис. 6.3 показан полученный в результате численного моделирования [171] временной ход 15-минутных сумм осадков для случая моделирования засева фронтальной облачности на уровне 3,5 км ( 12 о С) с расходами СО 2 0,2 кг/км, 1 кг/км и 10 кг/км. На рис. 6.3,а видно, что в случае малой естественной концентрации кристаллов и при большом расходе СО 2 (кривая 4) примерно часовое усиление осадков сменяется их ослаблением, т.е. «тенью» осадков. Аналогичные результаты по пространственному перераспределению осадков были получены в работах [44, 184]. Рис Временной ход сумм осадков (Р) при различных естественных концентрациях кристаллов: а 1 3 л -1 ; б 4 10 л -1 ; в л -1 ; и дозировках реагентов (1) естественный процесс; (2) 0,2 кг/км; (3) 1 кг/км; (4) 10 кг/км Результаты получения «тени» осадков иллюстрируются рис. 6.4, на котором приведена цифрокарта распределения количества осадков с 10 до 19 ч и линии засева облаков при проведении работ по улучшению погодных условий в Москве во время празднования 225

226 дня города 1 сентября 2001 г. На рисунке видно, что в зонах с воздействиями наблюдается интенсификация процессов осадкообразования за счет более полного, чем при естественном процессе, использования запасов водяного пара. За зоной усиления осадков (над защищаемой территорией) наблюдается «тень» осадков вследствие недостатка влаги после ее усиленного расходования. 226 Рис Результаты работ по улучшению погодных условий в Москве во время празднования дня города 1 сентября 2001 г. Таким образом, результаты натурных экспериментов и численного моделирования показывают, что при засеве фронтальных облаков возможно появление «тени» осадков вниз по потоку от места воздействия Метод «перезасева» облачности Третий из перечисленных выше подходов к проблеме метеозащиты заданной территории метод «перезасева» облачности целесообразно применять при натекании на нее фронтальной облачности. С наветренной стороны от этой территории произво-

227 дится непрерывный засев переохлажденных облачных слоев повышенными дозами льдообразующих реагентов на нескольких рубежах воздействия до прекращения или заметного ослабления осадков на заданной площади [136]. «Перезасев», то есть создание в облаках концентраций ледяных кристаллов, которые во много раз превышают концентрацию кристаллов, образующихся естественным путем, приводит к резкому увеличению количества одновременно растущих частиц осадков и сопровождается существенным замедлением процесса их роста вследствие нехватки существующей в облаке влаги, уменьшением размеров и скорости падения частиц осадков, что, в свою очередь, вызывает заметное уменьшение или прекращение осадков из искусственно засеянного облачного слоя на определенный промежуток времени. В ряде синоптических ситуаций «перезасев» может оказаться наиболее предпочтительным способом воздействия. Это объясняется тем, что при «перезасеве» может быть достигнуто не только существенное ослабление осадков, но и более быстрое проявление эффекта воздействия, что существенно облегчает вывод зоны искусственной кристаллизации (без осадков или с ослабленными осадками) на защищаемую территорию. При воздействии с целью «перезасева» облачности удаление линий засева от границ защищаемой территории выбирается примерно равным расстоянию получасового-одночасового ветрового переноса облачности, что примерно в два раза меньше удаления, необходимого для проявления «тени» осадков. Необходимые для достижения «перезасева» облачности нормы расхода льдообразующих реагентов значительно превосходят нормы, используемые для рассеяния облаков, и сильно зависят от таких характеристик облачности, как концентрация естественных ледяных ядер в облаках и количество жидкокапельной влаги [136]. Так, при воздействии на слоисто-дождевые облака с концентрацией естественных ледяных кристаллов около на литр эффект «перезасева» достигается при расходе твердой углекислоты в несколько килограммов на километр трассы засева (5 кг/км и более) и расстоянии между соседними линиями засева около 1 км. С увеличением концентрации естественных кристаллов необходимая для «перезасева» доза реагента может снижаться до величин 227

228 около 1 кг/км. Соответствующие значения расходов для пиротехнических изделий составляют для пиропатронов ПВ от непрерывного отстрела одиночных патронов с односекундными интервалами до отстрела серий по четыре пиропатрона через каждые 2 км трассы полета. Значительное сокращение норм расхода реагентов для обеспечения «перезасева» облачности достигается при возможности (по условиям полетов) проведения повторных засевов одного и того же объема облачности. Так, при повторении засевов через мин «перезасев» можно обеспечить при расходах углекислоты около 1 кг/км. Эффект «перезасева» облаков наглядно иллюстрируется результатами засева конвективных облаков, выполненных в нескольких проектах. Так уменьшение количества осадков в американских проектах «Аризона I» и «Аризона II» (30 %-ное уменьшение осадков) и «Уайттоп» объясняется наличием большого количества естественных кристаллов (до 10 4 м -3 ), в облаках, выбранных для воздействия [217, 226, 311]. Не исключено, что при большой концентрации естественных кристаллов в облаке, введение в него искусственных льдообразующих ядер привело к уменьшению размеров гидрометеоров и, как следствие, количества осадков. Возможность уменьшения размеров частиц осадков с помощью интенсивного засева была использована в американской программе по воздействию на зимние кучевые облака с целью перераспределения осадков в районе озера Эри в гг. [263]. Уменьшение осадков при интенсивном засеве облаков отмечалось и при засеве облаков в Молдавии [77, 88]. Как показали опыты в Молдавии, интенсивный засев кучево-дождевых облаков может привести к существенному уменьшению количества осадков. Так, в частности, количество осадков, выпавших из засеянных облаков, оказалось в 1,74 раза меньше, чем из контрольных [75]. Как показано в упомянутой выше в п работе [171], в случае естественной концентрации кристаллов 4 10 л -1 и расходе СО 2 более 1 кг/км достигается «перезасев» облаков, следствием которого является ослабление осадков на 1,5 3 ч с последующим их усилением, т.е. наблюдается процесс, обратный «тени» осадков (см. рис. 6.3, б, кривые 3 и 4). В случае естественной концентрации 228

229 кристаллов л -1 дополнительные осадки практически не образуются и при расходе СО кг/км наблюдается ослабление осадков из-за «перезасева» облаков (см. рис. 6.3, в). Эффект уменьшения осадков над защищаемой территорией, полученный в результате «перезасева» облаков, иллюстрируются рис. 6.5, на котором, приведена радиолокационная цифрокарта количества осадков на площади Московского региона за период с 10 ч до 23 ч, 7 сентября 1997 г. Рис Результаты работ по улучшению погодных условий в Москве во время празднования Дня города 7 сентября 1997 г. На этой же карте с помощью отрезков прямых линий к югозападу от Москвы показаны линии воздействий на облака на протяжении всего периода проведения метеозащиты города. На рисунке видно, что в результате воздействий на натекавшую на Москву с запада, юго-запада облачность наблюдалось в соответствии с гипотезой «перезасева» облаков ослабление осадков в зоне воздействий перед Москвой, снижение до минимальных значений 229

230 на территории города и последующее усиление осадков, после прохождения облачности за Москву Метод динамического разрушения конвективных облаков Четвертый из перечисленных в начале настоящей главы методов благоприятного изменения погоды заключается в разрушении развивающихся конвективных облаков (от мощно-кучевых Cu cong до кучево-дождевых Cb) с помощью динамического способа прерывания их роста. Способ заключается в искусственном создании в растущем облаке нисходящего воздушного потока, который компенсирует существующий в нем восходящий поток и тем самым приводит к замедлению и остановке роста облака. Для создания нисходящего потока в растущие вершины облаков с самолета сбрасываются определенные порции грубодисперсного порошкообразного реагента (в основном цемента), который в процессе гравитационного падения увлекает за собой частицы воздуха, приводя к образованию упорядоченного нисходящего потока. В ходе экспериментальных исследований, выполненных в ЦАО [37, 38, 73, 75, 87, 102, 147, 253] и ИПГ [67, 69, 254], было установлено, что динамический метод облаков является достаточно эффективным для разрушения как теплых, так и переохлажденных кучево-дождевых облаков. Исследования показали, что эффективность разрушения конвективных облаков зависит от условий развития облачности и составляет 90 % для случаев воздействий на одноячейковые изолированные облака внутримассового развития и % для случаев при воздействии на облака фронтального происхождения. При этом сброс грубодисперсных порошков в количестве кг и более (из расчета на одну вершину) приводил к разрушению одноячейковых изолированных облаков за мин, а фронтальных облаков за мин. В качестве иллюстрации результатов динамического воздействия на конвективные облака на рис. 6.6 приведена радиолокационная цифрокарта количества осадков, выпавших за период с 21 ч до 24 ч, 15 июня 2002 г., при проведении работ по улучшению 230

231 погодных условий во время открытия Международных легкоатлетических молодежных игр в Москве. Рис Цифрокарта распределения количества осадков, выпавших с 21:00 до 24:00, 15 июня 2002 г., при проведении работ по улучшению погодных условий во время открытия Международных легкоатлетических молодежных игр в Москве. Значками х отмечены зоны сброса упаковок с порошкообразным реагентом На этой же карте с помощью крестов красного цвета показаны зоны воздействий на конвективные облака на протяжении всего периода проведения метеозащиты города. На рисунке видно, что в результате воздействий сброса упаковок с грубодисперсным порошком в растущие вершины конвективных облаков, выполненных с одновременным использованием от 3 до 8 самолетов, удалось добиться разрушения осадкообразующих конвективных облаков и тем самым предотвратить выпадение осадков из облачных массивов, натекавших на Москву, в течение всей церемонии открытия Международных спортивных юношеских игр на стадионе «Лужники». 231

232 В заключение следует отметить, что перечисленные выше методы воздействия в той или иной степени успешно применялись при проведении комплекса мероприятий по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС [46], а также в течение нескольких лет (с 1981 по 1990 г.) при проведении работ по уменьшению зимних осадков в Москве специально созданной для этого Экспериментально-производственной лабораторией, и в многочисленных работах по метеозащите Москвы, Санкт-Петербурга, Ростова-на-Дону, Ташкента, Астаны и др. [10, 28, 44, 90, 91, 97, , 198, 206, 282]. По результатам проведенных институтами Росгидромета теоретических и экспериментальных исследований специалистами ЦАО и «Агентства АТТЕХ» в 2006 г. были разработаны Методические указания по «Проведению работ по искусственному регулированию погодных условий в мегаполисах [137] Техническое обеспечение работ по метеозащите Как отмечалось выше практическая реализация рассмотренных в предыдущем разделе методов АВ с целью искусственного регулирования погодных условий в мегаполисах осуществляется с помощью разработанной в Росгидромете самолетной технологии воздействия на облака [137], основанной на использовании самолетов, оборудованных необходимой для проведения воздействий измерительной аппаратурой и средствами засева облаков. К числу таких средств относятся: 1) автоматические устройства КДС-155, АСО-2И и УВ-26 соответственно для отстрела пиропатронов ПВ-50 и ПВ-26 (с 320- и 34-граммовыми пиротехническими шашками с 8 % содержанием AgI) и самолетные аэрозольные генераторы САГ-ПМ-01 и САГ-26 (с 300 и 92-грамовыми пиротехническими шашками с 8 % содержанием AgI); 2) генераторы для диспергирования мелкодисперсных ледяных частиц (ГМЧЛ-А) на основе использования жидкого азота общей емкостью 120 л жидкого азота; 3) углекислотные комплексы, предназначенные для сброса в облака гранул твердой углекислоты в составе шахтного устройства и теплоизолирующих контейнеров для хранения углекислоты (общей емкостью до 2 2,5 т);

233 4) килограммовыми упаковками с грубодисперсными порошкообразными реагентами (до 2 3 тонн) для динамического разрушения конвективных облаков. Используемые в работах самолеты также оснащаются спутниковыми навигационными системами GPS "GARMIN". Принимая во внимание, что в настоящее время самолеты арендуются для проведения работ, измерительная аппаратура и средства засева облаков устанавливаются на самолеты лишь на период проведения таких работ. Сведения об основных тактико-технических характеристиках используемых в работах по метеозащите самолетов, а также самолетных средств воздействия и используемых для засева облаков реагентов хладореагентов, кристаллообразующих и порошкообразных приведены во второй главе монографии. Следует отметить, что для повышения эффективности АВ на облака наряду с самолетами воздействия для проведения работ как правило оборудуется один-два самолета-метеолаборатории (СМЛ), на котором кроме средств воздействия устанавливается измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) (рис. 6.7), обеспечивающий измерение, обработку, архивирование и отображение на экране мониторов бортовых компьютеров текущих значений основных метеорологических параметров атмосферы и микрофизических характеристик облаков (температуры, давления и влажности воздуха, направления и скорости ветра, вертикальной скорости воздушных потоков, водности облаков, и др.), а также пилотажнонавигационные характеристики полета (высотно-скоростные данные, местоположение самолета и т.д.). а б 233

234 в Рис Самолетный измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) и датчики. а общий вид; б информация на экране монитора; в, г датчики Начиная с 2006 г. на самолетах, принимающих участие в работах по метеозащите, устанавливается разработанная в АНО «Агентство АТТЕХ» система радиообмена данными «Земля Борт Земля» [318]. Комплект бортового оборудования Системы обеспечивает определение координат, курса, скорости, и высоты полета воздушного судна, передачу этой информации на Землю и отображение на мониторе бортового компьютера траектории полета самолета на электронной карте местности или на радиолокационных картах распределения облаков и осадков (рис. 6.8), получаемых с помощью Системы из Оперативного центра управления работами. г Рис Цифрокарта распределений высоты радиоэха облаков в 10:00, 9 мая 2008 г. Отрезками линий на цифрокарте показаны зоны засева облачности 234

235 Для получения информации, необходимой для прогнозирования рабочей ситуации при проведении летных работ, для принятия решения о возможности и целесообразности АВ на облака с целью улучшения погоды, для выработки команд на проведение воздействий и их корректировки в процессе работы, для оперативного контроля эффекта воздействия, а также для оценки результатов воздействий, создается информационно-измерительная система (ИИС). Основные элементы ИИС для проведения работ по метеозащите приведены на рис Осадкомерная и метеорологическая сеть Радиолокаторы Средства связи Пункты радиозондирования Самолѐтные визуальные и инструментальные данные ОПЕРАТИВНЫЙ ЦЕНТР Синоптикометеорологическая и спутниковая информация. Прогноз Архивирование данных Система диспетчеризации ВЦ. Обработка самолетных и наземных данных Рис Функциональная схема взаимодействия между подсистемами информационно-измерительной системы (ИИС) В состав ИИС входят: самолетные средства измерения характеристик атмосферы, облаков и осадков; наземные автоматизированные радиолокационные метеорологические комплексы с системой цифровой обработки и регистрации информации; наземная осадкомерная сеть и сеть метеостанций, расположенных по территории района работ; пункты радиозондирования атмосферы; 235

236 бортовое и наземное оборудование системы радиообмена данными «Земля Борт Земля» (Система диспетчеризации); подсистема, обеспечивающая получение синоптико-метеорологической и спутниковой информации и составление специализированного прогноза; подсистемы оперативной обработки и архивирования данных; технические средства связи, необходимые для оперативного обмена информацией между самолетами, радиолокационным комплексом и другими подсистемами ИИС; средства оргтехники, необходимые для отображения и документирования информации. Важным условием обеспечения эффективности АВ с целью улучшения погодных условий является использование метеорологической радиолокационной информации, существенно расширяющее возможности оперативного получения детальных данных о характеристиках полей облаков и осадков на площади работ. Для этой цели могут использоваться разработанные на базе серийного двухволнового метеорологического радиолокатора МРЛ-5 метеорологические автоматизированные радиолокационные комплексы АКСОПРИ, Метеоячейка, МЕРКОМ, а также одноволновый (3,2 см) мобильный метеорологический радиолокатор (ММРЛ) «Контур-Метео-01» (рис. 6.10), созданный в 2010 г. ООО «Контур- НИИРС» (г. Санкт-Петербург) по заказу АНО «Агентство АТТЕХ». В процессе работы радиолокационные комплексы осуществляют автоматическое зондирование атмосферы в режиме конического обзора пространства и отображение на мониторе компьютера оперативных данных о полях облачности и осадков на площади с радиусом до 200 км в виде обновляемых каждые 5 10 мин радиолокационных цифрокарт: горизонтальных распределений радиолокационной отражаемости облаков на разных высотах (рис. 6.10, а); высот верхней границы облачности (рис. 6.10, б); явлений погоды облачность без осадков, осадки различной интенсивности (осадки, ливень, сильный ливень), мощные кучеводождевые облака, грозы, град, шквалы (рис. 6.10, в); интенсивности и накопленного за определенный срок количества осадков (рис. 6.10, г); 236

237 вертикальных сечений по любым выбранным направлениям и вертикальных профилей отражаемости (рис. 6.10). а б 237

238 в 238 г Рис Цифрокатры распределений радиолокационной отражаемости (а), высот верхней границы облачности (б), метеоявлений погоды (в) и интенсивности осадков (г), полученные ММРЛ «Контур-Метео-01»

239 Цифрокарты сопровождаются информацией о векторе переноса (скорости и направлении) облачных систем. Оперативно отслеживая изменения вектора перемещения облачных систем, можно прогнозировать перемещение зон радиоэха облачности и осадков, и при наличии информации о местоположении самолетов, выполняющих работу по АВ, осуществлять оперативный контроль и эффективное управление летными работами. Радиолокационные комплексы обеспечивает также архивацию получаемой информации за любой период наблюдений, представление этой информации на экране монитора в режиме анимации (быстрое воспроизведение последовательности карт за выбранный промежуток времени), передачу необходимой информации по телефонным и телеграфным каналам. Разработанное программное обеспечение позволяет при необходимости объединять в единое поле информацию нескольких комплексов в Центре сбора информации. Для повышения эффективности управления летными работами по АВ на облака на бортах самолетов, принимающих участие в работах, и в оперативном центре устанавливаются комплекты бортового и наземного оборудования системы радиообмена данными «Земля Борт Земля» [318] (рис. 2.30). Использование этой системы в работах по АВ обеспечивает: 1) передачу метеоинформации и пилотажно-навигационных характеристик полета в центр управления работами; 2) возможность получения радиолокационных цифрокарт облачности и осадков на борту самолета для использования руководителями воздействий; 3) отображение траекторий самолетов и точек воздействия на навигационных картах местности и радиолокационных картах распределения облаков и осадков в реальном масштабе времени как на бортовых мониторах, так и на мониторе центра управления (рис. 2.33); 4) возможность обмена текстовыми и голосовыми сообщениями между наземным пунктом управления и операторами на бортах самолетов. В комплексе информационных средств при проведении работ по АВ на облака важную роль играет система оперативного получения данных радиозондирования, а также диагностической и прогностической информации о синоптико-метеорологической ситуации в районе работ, включая спутниковые изображения полей об- 239

240 лачности и осадков. При достаточной регулярности обновления (1 2 ч) эта информация позволяет детально прослеживать развитие и перемещение облаков и осадков и заблаговременно планировать и корректировать выполнение летных работ и воздействий на облачность с учетом прогноза, составляемого по спутниковой и радиолокационной информации Планирование и организация работ по метеозащите мегаполисов При подготовке к выполнению работ по улучшению погодных условий необходимо принять меры по обеспечению возможности проведения воздействий на ожидаемый на период проведения работ тип облачности. Для этого в зависимости от прогноза погоды определяется тип самолетов и тип реагентов для проведения АВ. Так, в частности, при прогнозе наличия слоистых облаков St, слоисто-кучевых Sc и слоисто-дождевых Ns необходимо приготовить гранулированную твердую углекислоту, жидкий азот и пиропатроны с йодистым серебром, поскольку в соответствии с технологией метеозащиты эти реагенты необходимо использовать для воздействия с целью рассеяния слоистообразной облачности и прекращения выпадающих из нее осадков. При прогнозе развития мощных кучевых Cu cong и кучево-дождевых облаков Cb, необходимо предусмотреть засев таких облаков йодистым серебром для преждевременного вызывания осадков и дозированными порциями порошкообразного реагента для подавления развития конвективных облаков и предотвращения ливневых осадков. При планировании летных работ в случае слоистообразных облаков можно использовать любые применяемые для АВ типы самолетов (см. раздел 2.5). В случае необходимости воздействий на мощные конвективные облака необходимо предусмотреть использование самолетов Ил-18, Ан-12, Ан-72, Ан-32 и СУ-30, имеющих потолок более 9 км. Количество самолетов и сроки их вылета определяются продолжительностью выполнения работ, а также зависят от ожидаемой продолжительности существования в районе работ облаков, на которые надо будет проводить АВ. При этом также необходимо учитывать и летно-технические данные самолетов. Для обеспече-

241 ния работ реагентами необходимо заблаговременно заключить договора со специализированными предприятиями на поставку необходимого количества гранулированной углекислоты и жидкого азота. Так, например, в сезонах гг. для работ по улучшению погодных условий на территории Москвы в соответствии с методическими разработками ЦАО и исходя из прогнозируемой синоптической ситуации на каждый день метеозащиты продолжительностью ч было подготовлено от 7 до 11 самолетов Ил-18, Ан-12, Ан-26, Ан-28, Ан-30, Ан-32 и СУ-30 и закуплено т цемента марки 500, л жидкого азота и т углекислоты. В ходе подготовительного этапа должна быть разработана необходимая для выполнения авиаработ организационно-методическая документация: графики доставки реагентов на аэродром базирования самолетов, графики и нормы загрузки реагентов в самолеты, графики полетов самолетов и режимов воздействия. В качестве примера на рис приведен планируемый график авиаработ 10 самолетов (шесть самолетов ВВС России с базированием на аэродроме «Чкаловский» и четыре самолета ЛИИ им. М.М. Громова с базированием на аэродроме «Раменское») по улучшению погодных условий в Москве 12 июня 2007 г. Для выполнения авиаработ должна быть проведена работа со специализированными организациями управления воздушным движением, подготовлена и утверждена в установленном порядке «Временная инструкция по организации и производству полетов во время проведения работ по созданию благоприятных условий». Должны быть согласованы вопросы выделения частот для двухсторонней связи и для системы радиообмена данными «Земля Борт Земля», а также получены позывные для наземного пункта управления летными работами и для всех самолетов, принимающих участие в работах. Для технического обеспечения работ подготовку самолетной метеорологической аппаратуры и средств воздействия, установку оборудования на самолеты и его техническое обслуживание, а также для изготовления упаковок с порошкообразными реагентами на аэродромах базирования должны быть созданы специальные группы. 241

242 Рис Планируемый график авиаработ 10 самолетов по обеспечению благоприятных погодных условий в Москве с 10 до 24 ч 12 июня 2007 г. во время празднования «Дня России» Общее руководство работами по АВ на облака с целью улучшения условий погоды должно осуществляться из специально организуемого Оперативного центра (ОЦ) управления. Для этого ОЦ оборудуется дистанционным терминалом метеорологического радиолокационного комплекса, наземной системой радиообмена данными «Земля Борт Земля», а также всеми необходимыми средствами оперативного доступа к данным остальных элементов ИИС (радио- и телефонная связь, компьютеры с выходом в сеть Интернет). Последовательность операций, выполняемых в процессе проведения работ по АВ на облака с целью улучшения погодных условий, иллюстрируется на рис и включает в себя следующие этапы: 1. Прогноз развития облачности составляется синоптиком ОЦ на основе доступной информации ИИС и включает в себя прогноз синоптического положения (перемещения и эволюции барических образований, фронтов, облачных систем) и прогноза развития облаков, которые могут потребовать проведение воздействий. Прогноз составляется на 36 ч с делением на 12-часовые интервалы, начиная с 12 ч предыдущего дня. Наличие в прогнозе условий для формирования облаков, пригодных для воздействия, и информации о районах их появления служит основанием для подачи предварительных заявок на вылеты самолетов для АВ на следующий день. Тип самолетов, их количество и сроки предполагаемых вылетов определяются типом и прогнозируемой продолжи- 242

243 тельностью существования над защищаемой территорией (ЗТ) облаков, требующих проведения воздействий. 1. Прогноз развития облачности 2. Радиолокационный обзор пространства. Обнаружение облаков потенциальных объектов для АВ 3. Вылет самолета-метеолаборатории в район обнаружения объектов для АВ 4. Распознавание облаков, пригодных для АВ, и оперативный отбор облаков для засева 5. Принятие решения о проведении АВ и начало засева пригодных для АВ облаков 6. Оперативный контроль результатов АВ с использованием самолетов, наземного радиолокатора и осадкомерной сети 7. Физико-статистическая оценка эффективности АВ Рис Последовательность операций при проведении работ по метеозащите 2. Одновременно осуществляется круглосуточный радиолокационный обзор пространства наземными метеорологическими радиолокационными комплексами в составе ИИС в соответствии с утвержденным графиком наблюдений с целью своевременного обнаружения объектов для АВ. 3. При обнаружении радиолокационным комплексом приближающихся к ЗТ осадкообразующих облачных систем или развития внутримассовых конвективных облаков с вероятным их перемещением на ЗТ дежурным руководителем работ в ОЦ принимается решение о вылете самолета-метеолаборатории для исследования характеристик облачности и проведения в случае необходимости АВ. Команда на вылет сопровождается указанием предполагаемой зоны воздействий и предварительными сведениями о характери- 243

244 стиках атмосферы и облачности по данным радиолокационных и спутниковых наблюдений. 4. В процессе набора высоты вылетевший самолет-метеолаборатория производит вертикально-горизонтальное зондирование атмосферы (ВГЗА) с целью уточнения ее температурной и динамической стратификации и следует в заданный район, где путем визуальных наблюдений и приборных измерений производится оценка соответствия наблюдаемых облаков критериям их пригодности для АВ. 5. В случае соответствия облаков установленным критериям для засева руководитель воздействий из состава оперативной группы на борту СМЛ на основе текущей информации с наземного метеорологического радиолокатора о структуре и перемещении облачной системы, а также данных собственных измерений вертикальной стратификации атмосферы и характеристик облачности согласовывает с ОЦ координаты зоны засева, схему воздействий, необходимый для проведения воздействий высотный эшелон, тип реагента и режим засева, дает соответствующие команды летному экипажу и приступает к засеву облаков после получения разрешения Центра управления воздушным движением на проведение работ в выбранном районе. В случае принятия решения о начале работ по засеву облаков дежурный руководитель работ в ОЦ определяет время и порядок вылета находящихся на земле самолетов воздействия. 6). В процессе проведения АВ непрерывно осуществляется оперативный контроль физической эффективности засева облаков с борта самолета по появлению характерных визуальных признаков прекращения развития конвективных облаков, по признакам кристаллизации и появлению просветов в слоистообразных облаках и т.д. Наземные радиолокационные наблюдения также могут выявлять такие признаки реакции облаков на АВ, как уменьшения радиолокационной отражаемости облаков и их высот после засева и прекращение или существенное снижение интенсивности осадков из засеянных облаков. 7. Количественная оценка эффективности АВ на облака при выполнении работ по метеозащите обеспечивается в результате 244

245 физико-статистической оценки с использованием радиолокационной и наземной осадкомерной информации. Методика и результаты оценки эффективности работ по метеозащите приводятся в следующем параграфе монографии Результаты работ по метеозащите мегаполисов Оценка результатов искусственных воздействий на облака с целью их рассеяния и регулирования выпадающих из них осадков является достаточно сложной задачей. Наиболее просто эта задача решается в случае проведения воздействий на облака, не дающие естественных осадков. При воздействии на облака, из которых выпадают естественные осадки, задача оценки результатов засева облаков значительно усложняется. Это связано со значительной временной и пространственной изменчивостью осадков. В этом случае для оценки эффекта воздействия данные о количестве осадков, выпавших при воздействии, необходимо сопоставить с их количеством, которое было бы зарегистрировано при отсутствии воздействий. В научных экспериментах это достигается путем использования специально разработанного метода рандомизации воздействий, который позволяет получить одновременно с рядом экспериментальных значений с воздействиями на облака сравнительный контрольный ряд данных об осадках при естественном развитии облаков. К сожалению, такой метод неприменим при проведении оперативных работ по искусственному регулированию осадков, поскольку для получения контрольного ряда данных требуется пропуск значительной части пригодных для воздействия ситуаций. В связи с этим наиболее распространенным методом оценки результатов оперативных воздействий на облака, в том числе и при метеозащите крупных городов, является сравнение значений осадков, выпавших в районе воздействий, с количеством осадков, выпавших в одном или нескольких контрольных районах, не подвергавшихся влиянию засева облаков [10, 28, 91, 115, 198, 206]. Ниже приводятся описание метода оценки результатов воздействий при метеозащите мегаполисов на примере работы по улучшению погодных условий в г. Москве во время празднования 850-летия города 7 сентября 1997 г., а также результаты оценки 245

246 эффективности выполненных в период с 1995 по 2009 г. опытноэкспериментальных работ по метеозащите крупных городов России, полученные с использованием описанного метода оценки Описание метода оценки результатов работ по метеозащите мегаполисов Погодные условия в районе Москвы 7 сентября 1997 г. определялись прохождением фронта окклюзии. По данным самолетных и радиолокационных наблюдений связанная с фронтом облачность характеризовалась многослойными полями слоистой облачности нижнего (Ns), среднего (As) и верхнего ярусов, достигающими высоты 6 8 км. В период с 20 до 23 ч фронтальная зона облаков, дающих осадки, пересекала Москву. В соответствии с создавшимися в районе Москвы погодными условиями основной задачей активных воздействий 7 сентября 1997 г. являлось предотвращение на территории города ливневых осадков и других опасных метеорологических явлений, связанных с прохождением фронтальной облачности через Москву. В связи со сложными метеорологическими условиями, сопровождавшимися одновременным развитием широкого спектра облачных образований, в соответствии с концепцией метеозащиты мегаполисов [27, 114, 115, 136] для улучшения погодных условий в городе методами активных воздействий использовались: 1. Метод инициирования преждевременного выпадения осадков из фронтальной облачной системы на наветренной стороне от защищаемой территории путем засева облачности с целью образования «тени» осадков, т.е. их прекращения или ослабления над территорией города. 2. Метод «перезасева» интенсивный засев натекающей на защищаемую территорию осадкообразующей облачности с целью снижения в ней эффективности осадкообразования вследствие создания в ней чрезмерно больших концентраций ядер кристаллизации. 3. Метод разрушения мощных кучево-дождевых облаков динамическим способом для предотвращения ливней и гроз над защищаемой территорией. 246

247 Воздействия на облачность проводились с 17 ч 40 мин до 22 ч 15 мин с использованием восьми самолетов, оснащенных необходимыми средствами воздействия. На первом этапе воздействия выполнялись на переднем крае осадкообразующей облачной системы на удалении км к западу юго-западу от Москвы. Засев облаков производился путем отстрела пиропатронов с йодистым серебром, сброса гранул углекислоты и диспергирования жидкого азота с целью создания повышенной концентрации ядер кристаллизации, не достигающей, однако, уровня «перезасева» в связи с большим удалением зон засева от Москвы. Результаты радиолокационных наблюдений показали заметное снижение интенсивности осадков из засеянных зон облачности. Второй этап воздействий был начат около 19 ч. В связи с резким увеличением скорости перемещения фронтального раздела в оперативном центре управления работами было принято решение перенести район воздействий ближе к Москве на расстояние км к юго-западу от города. Одновременно с этим для достижения «перезасева» облачности на период ее перемещения над территорией города был начат засев натекающего на Москву слоя в непосредственной близости от юго-западного участка МКАД. Засев облаков на втором этапе работ проводился, как и на первом, с использованием пиропатронов с йодистым серебром, углекислоты и жидкого азота, а также путем сброса упаковок с грубодисперсным порошком с целью подавления развития выступающих над полем слоистой облачности вершин конвективных ячеек и, тем самым, исключения ливневых осадков. На рис. 6.5 приведена цифрокарта распределения количества осадков 7 сентября с 10 до 23 ч, полученная по данным радиолокационных комплексов АКСОПРИ в Москве, Калуге и Твери, на которую нанесены зоны воздействий. Из приведенных на рисунке данных видно, что: с наветренной стороны от зоны засева облаков, югозападнее района воздействий, слой выпавших до 23 ч осадков составляет от 3 до 7 мм; в зоне воздействий слой осадков за тот же период составляет от 0,5 до 1,5 мм; 247

248 в юго-западной части Москвы, расположенной наиболее близко к району воздействий, слой осадков составил около 0,5 0,7 мм, а в северо-восточной части Москвы до 1 1,5 мм. Радиолокационная информация о существенном снижении осадков на территории Москвы по сравнению с окружающими районами подтверждается также данными наземных измерений осадков метеостанциями. Так, по данным наземной сети на метеостанциях города 7 сентября до 22 ч зарегистрировано количество осадков не более 0,5 0,6 мм, тогда как на территории Московской области в пределах 1 5 мм. Как отмечалось выше, для получения количественной оценки результатов воздействий на облака, выполненных 7 сентября 1997 г., целесообразно использовать метод, основанный на сравнении со значениями осадков, выпавших в контрольных районах, не подвергавшихся влиянию засева облаков. С этой целью были выбраны три площадки, одна из которых («Засев») совпадала с зоной воздействий, а две контрольные располагались южнее («Контроль 1» К1) и севернее («Контроль 2» К2) территории проводившихся воздействий (рис. 6.13). На рисунке показаны также линии воздействий на облака, выполненных 7 сентября 1997 г. всеми самолетами. С целью исключения влияния воздействий на осадки контрольных площадок, последние были выбраны так, что их отделяли от зоны активных воздействий буферные зоны. Все три сравниваемые площадки были сориентированы по направлению среднего переноса радиоэха осадков, определенного по данным радиолокационных комплексов АКСОПРИ. Все три выбранные площадки были разделены на 7 равных прямоугольных ячеек. При этом размер указанных ячеек в направлении, перпендикулярном вектору переноса облаков и осадков, был выбран равным 30 км, т.е. примерно равным поперечному размеру территории Москвы в этом направлении. В продольном направлении (в направлении переноса облаков) размер рассматриваемых ячеек был принят равным расстоянию часового переноса радиоэха осадков. Для всех полученных таким образом ячеек были рассчитаны слои осадков, выпавших на них до 23 ч, т.е. до момента окончания работ по воздействию. Принимая во внимание, что продольные размеры ячеек были выбраны равными величине ча- 248

249 сового переноса осадков, а местоположение наветренных границ первых и седьмых ячеек совпадает с границами зон радиоэха в 16 и 22 ч, соответственно, значения слоев осадков на площади седьмых ячеек представляют собой осадки с 22 до 23 ч, на площади шестых ячеек осадки с 21 до 23 ч и т.д. Значения слоев осадков всех ячеек для всех трех площадок приведены в табл. 6.5 и на рис. 6.14, а. Рис Линии засева облаков и расположение площадок, использовавшихся для оценки эффекта воздействий 7 сентября 1997 г. На рис. 6.14, а видно, что, несмотря на различие в количестве осадков на контрольных площадках 1 и 2, характер их изменения по контрольным ячейкам совпадает и существенно отличается от характера изменения по ячейкам в зоне воздействий. Так, если на 249

250 250 Рис Фактические осадки (мм), выпавшие с 16 до 23 ч, 7 сентября 1997 г. на площадке территории воздействий и на контрольных площадках (а), прогноз осадков по всем площадкам (б) и оценка эффективности проведенных воздействий (в)

251 контрольных ячейках после начального увеличения осадков наблюдается их монотонный спад, то на ячейках с воздействиями отмечается спад количества осадков до ячейки 5, а затем имеет место их увеличение. Из рис с показанными линиями воздействий и контурами площадок видно, что линии воздействий совпадают в зоне воздействий с ячейками 2 5 и согласно принятой гипотезе «перезасева» натекающей на Москву облачности следует ожидать уменьшения количества осадков в этих ячейках и увеличения осадков в ячейке 7 на площадке с воздействиями, расположенной по направлению ветрового переноса за защищаемой территорией. Из цифрокарты, приведенной на рис. 6.5, видно, что распределение осадков на площадке территории воздействий и на контрольных площадках качественно соответствует используемой при проведении засева облаков гипотезе воздействия с целью уменьшения интенсивности и количества осадков на защищаемой территории. С целью количественной оценки эффекта уменьшения осадков в результате воздействий был проведен сравнительный анализ данных об осадках на территории воздействий и на двух контрольных площадках, не подвергнутых влиянию засева облаков. Для количественной оценки эффекта были рассчитаны прогностические значения осадков, которые должны бы были наблюдаться на площади с воздействиями в случае естественного развития облаков и осадков. Прогностические значения осадков Q пр (мм) рассчитывались по формуле: Q пр (i) = Q пр (i 1) K(i), мм i = 2,..., 7 где i номер ячейки; К(i) = [Q K1 (i) / Q K1 (i 1) + Q K2 (i) / Q K2 (i 1)] / 2, i = 2,..., 7; Q пр (1) = 4, 04 мм количество осадков, измеренное на площади первой ячейки на территории воздействий, не подвергнутой эффекту засева; Q K1 (i) количество осадков на площади i-й ячейки контрольной площадки K1; Q K2 (i) количество осадков на площади i-той ячейки контрольной площадки K2. Прогностические значения осадков приведены в табл. 6.5 и на рис. 6.14, б. Видно, что, как и ожидалось, на площади ячеек с воздействиями количество осадков стало в 1,4 2,1 раза меньше, чем, 251

252 согласно прогнозу, должно было бы выпасть при отсутствии воздействий (см. рис. 6.14, в). На защищаемой территории Москвы (ячейка 6) осадки уменьшились в результате засева облаков в 1,4 раза. На площади ячейки 7, расположенной по направлению ветрового переноса за защищаемой территорией, осадков выпало в 1,37 раза больше, чем выпало бы без воздействий. Таблица 6.5 Количества осадков c 16 до 23 ч, 7 сентября 1997 г. на площади воздействий и на контрольных площадках, их прогноз и оценка эффективности воздействий Ячейка Q K1 (i) Q K2 (i) Q пр (i) Q К(i) зас (i), Эффект (i) мм мм Q пр (i) / Q зас (i) 1 5,88 2,95 4,04 4,04 1,00 2 7,01 3,35 4,70 1,16 3,38 1,39 3 4,68 2,91 3,61 0,77 1,81 1,99 4 2,82 2,40 2,58 0,71 1,24 2,08 5 1,51 2,24 1,89 0,73 0,97 1,95 6 1,22 1,83 1,54 0,81 1,10 1,40 7 0,97 0,87 0,98 0,64 1,33 0,73 Таким образом, приведенные выше распределения количества осадков по Московскому региону за 7 сентября 1997 г., а также выполненные расчеты позволяют утверждать, что цель проводившихся 7 сентября воздействий на фронтальную облачность была достигнута и что засев облаков привел к существенному уменьшению интенсивности и количества осадков на защищаемой территории г. Москвы. В то же время достижение 100 %-ного эффекта воздействия, т.е. полное предотвращение осадков на территории Москвы оказалось невозможным в связи со сложностью и высокой изменчивостью происходивших в атмосфере процессов Результаты работ по метеозащите крупных городов Разработанные ЦАО при участии специалистов АНО «Агентство «АТТЕХ» методы и технические средства АВ на облака успешно применялись более чем в 50 крупномасштабных работах по созданию благоприятных условий погоды, выполненных с 1995 г. специалистами «Агентства АТТЕХ», ЦАО и Центра внедрения методов и средств воздействия на погоду «АКВА» в различных регионах России и ближнего зарубежья. В табл. 6.6 приведены основные характеристики и полученные с использованием описанного метода результаты выполненных за период с 1995 по 2009 г.

253 опытно-экспериментальных работ по метеозащите крупных городов России. Из таблицы видно, что проведение работ по изменению погоды в мегаполисах с участием в каждой из них от 6 до 12 самолетов в 38 % случаев (рис. 6.15, область 1) воздействия не проводились из-за отсутствия условий; в 25 % случаев (рис. 6.15, область 2) воздействия привели к разрушению осадкообразующих облаков и, тем самым, к полному предотвращению осадков на защищаемой территории; и в 37 % случаев (рис. 6.15, область 3) к существенному (в 3 10 раз) уменьшению количества осадков на защищаемой территории по сравнению с осадками, выпавшими на контрольных территориях (рис. 6.16). Рис Успешность выполнения работ по метеозащите мегеполисов методами АВ. Область 1 осадки не выпадали ни на защищаемой, ни на контрольных территориях; область 2 наблюдалось полное предотвращение осадков на защищаемой территории; область 3 отмечалось выпадение осадков как на защищаемой, так и на контрольных территориях Qкт, мм Qкт = 6,3 Qзт 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Qзт, мм Рис Сравнение количества осадков, выпавших на защищаемой (Qзт) и контрольной (Qкт) территориях 253

254 Таблица 6.6 Основные характеристики и результаты выполненных в гг. работ по метеозащите крупных городов России Мероприятие День Победы (Москва) 1995 г г г г г. Дата 8 9 мая 9 мая 9 мая 9 мая 7 9 мая Число самолетов Число полетов, продолжительность полетов 16, 79 ч 26 мин 2, 6 ч 39 мин 1, 5 ч 10 мин 13, 65 ч 05 мин 35, 214 ч 08 мин Количество осадков Защищаемая территория 8 без осадков 9 до 1 1,5 мм Без осадков Без осадков До 1 2 мм 7 без осадков 8 до 0,2 мм 9 без осадков Контрольная территория 8 без осадков 9 до мм Без осадков Без осадков До 4 5 мм 7 до 0,2 мм 8 до 2 3 мм 9 до 1 2 мм 2006 г г г г. День России (Москва) 2003 г г г г г г г. День города (Москва) 1997 г г г г г г г г г г г. 9 мая 9 мая 7 и 9 мая 9 мая 12 июня 12 июня 12 июня 12 июня 12 июня 12 июня 12 июня 5 7 сент. 2 3 сент. 1 2 сент. 31 августа 1 сент. 6 7 сент. 4 5 сент. 4 сентября 2 сентября 1 2 сент. 7 сентября 5 сентября сам. +2 верт , 80 ч 39 мин 11, 68 ч 17 мин 21, 145 ч 16 мин 2, 14 ч 38 мин 10, 53 ч 51 мин 1, 8 ч 30 мин 14, 80 ч 56 мин 9, 48 ч 57 мин 2, 15 ч 28 мин 10, 61 ч 45 мин 11, 47 ч 15 мин 17, 55 ч 26 мин 20, 85 ч 17 мин 12, 54 ч 38 мин 5, 26 ч 12 мин 11, 64 ч 33 мин 5, 31 ч 38 мин 6, 49 ч 06 мин 6, 26 ч 07 мин 14, 90 ч 36 мин 2, 13 ч 55 мин 1, 8 ч 07 мин До 0,5 1 мм Без осадков 7 без осадков 9 без осадков Без осадков Без осадков Без осадков Без осадков До 0,3 0,5 мм Без осадков До 0,1 0,2 мм До 2 3 мм До 3 4 мм До 1 2 мм 7 до 0,5 1 мм 9 до 1 2 мм Без осадков До 0,5 1 мм Без осадков До 0,3 0,5 мм До 2 3 мм Без осадков До 2 3 мм До мм 5 без осадков 5 без осадков 6 без осадков 6 без осадков 7 до 0,5 1 мм 7 до 2 3 мм 2 без осадков 2 без осадков 3 до 2 3 мм 3 до 5 10 мм 1 до 0,2-0,3 мм 1 до 1 2 мм 2 без осадков 2 без осадков 31 без осадков 31 до0,1 0,2мм 1 без осадков 1 без осадков 6 до 0,3 мм 6 до 2 3 мм 7 без осадков 7 без осадков Без осадков Без осадков Без осадков Без осадков Без осадков До 0,2 0,3 мм 1 без осадков 1 до 2 3 мм 2 без осадков 2 без осадков Без осадков Без осадков Без осадков Без осадков 254

255 Мероприятие Всемирные юношеские игры 1998 г. Международные юношеские игры 2002 г. 300-летие С.-Петербурга 2003 г. Международный спорт. турнир (Москва) 2003 г. Саммит Большая Восьмерка (С.-Петербург) 2006 г. День железнодорожника (Москва) 2006 г г. Конноспорт. соревнования (Ростов-на- Дону) 2007 г. Саммит ШОС (Екатеринбург) 2007 г. Дата 13 и 19 июля 12 и 15 июня мая 20 сентября июля 6 августа 5 августа Число самолетов Число полетов, продолжительность полетов 7 17, 77 ч 10 мин Окончание табл. 6.6 Количество осадков Защищаемая Контрольная территория территория 13 до 0,5 1 мм 13 до 2 3 мм 19 до 1 2 мм 19 до 5 7 мм 10 10, 61 ч 01 мин 12 без осадков 12 без осадков 15 до 0,1 0,2 мм15 до 1 2 мм 7 18, 91 ч 57 мин 30 до 0,5 1 мм 31 до 0,2 мм 30 до 2 мм 31 до 0,5 мм 10 4, 21 ч 42 мин Без осадков До 0,5 1 мм 11 20, 138 ч 10 мин 8 8 8, 23 ч 24 мин 11, 70 ч 42 мин 15 без осадков 16 до 4 5 мм 17 до 0,5 мм Без осадков До 2 3 мм 15 без осадков 16 до мм 17 до 4 5 мм До 2 3 мм До мм 30 июня 6 2, 9 ч 50 мин Без осадков До 2 3 мм 17 августа 7 1, 5 ч 16 мин Без осадков Без осадков Приведенные результаты свидетельствуют о высокой эффективности разработанных российскими специалистами методов и технических средств засева облаков различных типов льдообразующими реагентами, хладореагентами и грубодисперсными порошками с целью искусственного регулирования атмосферных осадков. 255

256 256 Глава 7. РАССЕИВАНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ ТУМАНОВ 7.1. Технология рассеивания переохлажденных туманов Туманы являются одним из факторов, существенно влияющих на регулярность и безопасность работы практически всех видов транспорта. Особенно сильно влияние туманов сказывается на функционировании аэропортов и безопасности движения на автодорогах. Принимая во внимание практическую важность решения проблемы улучшения видимости в туманах, а также результаты исследований А. Вегенера, Т. Бержерона и В. Финдайзена о роли твердой фазы в процессах облако- и осадкообразования, и последующие лабораторные и полевые эксперименты В. Шефера, И. Лэнгмюра и Б. Воннегата в гг., в результате которых были установлены льдообразующие свойства твердой углекислоты и йодистого серебра, как отмечено в первой главе монографии, в 1948 г. в ЦАО были начаты исследования, направленные на разработку методов искусственного рассеяния переохлажденных низких облаков и туманов. Как отмечено в главе 2 монографии, в результате лабораторных исследований различных реагентов и многочисленных натурных экспериментов, проведенных в различных регионах страны и в широком диапазоне метеоусловий, к 1988 г. был создан наземный азотный генератор мелкодисперсных частиц льда ГМЧЛ-Н-40 (рис. 2.7) [63]. Генератор состоит из 40-литрового сосуда Дьюара СК-40 и специальной насадки, состоящей из радиатора, трубопроводов и специальных распылителей (форсунок) для диспергирования жидкого азота. Азотный генератор позволяет устанавливать перед началом работы расход жидкого азота в пределах от 1,5 до 12 кг/ч, что обеспечивает его непрерывную работу при минимальном расходе реагента до 20 ч [138]. Использование этих генераторов при проведении экспериментальных и опытно-производственных работ в аэропорту Алмата в зимние сезоны гг. позволило принять 809 и выпустить 1152 воздушных судов (ВС) в условиях тумана, и при этом было предотвращено 9312 ч задержек выполнения рейсов. В результате

257 проведения аналогичных работ по рассеянию переохлажденных туманов в аэропорту Шереметьево с 1989 по 1993 г. было обеспечено 233 прилета и 373 вылета ВС и предотвращено 606 ч задержек [63]. По оценкам экономических служб аэропортов, стоимость предотвращенных потерь в этих аэропортах более чем в 10 раз превысила стоимость затрат на организацию и проведение воздействий на туманы. В гг. специалистами ЦАО, Агентства атмосферных технологий и Центра «АКВА» совместно с итальянскими фирмами «Технагро» (в аэропорту г. Парма) и «Аутовие Венете» (на станции Venezia Est и автостраде А4 Венеция-Триест) был выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований с целью усовершенствования технических средств воздействия жидким азотом и разработки методики их использования в стационарном и мобильном вариантах применительно к аэропортам и автострадам [229, 365]. В результате выполнения работ были усовершенствованы конструкции стационарных и мобильных азотных генераторов в части увеличения времени их работы без дозаправки и возможности дистанционного автоматизированного управления ими. Одновременно с созданием технических средств была разработана нестационарная трехмерная численная модель процесса искусственного рассеяния переохлажденных туманов генераторами различной производительности при различных метеоусловиях, позволяющая разработать схемы размещения стационарных азотных генераторов на конкретном объекте и маршрутов для мобильных генераторов [120]. Базируясь на созданных современных технических средствах стационарных дистанционно управляемых азотных генераторах и разработанной численной модели, в 2001 г. была разработана автоматизированная система воздействия для рассеяния переохлажденных туманов на станции Venezia Est (Италия) [15, 64, 204]. Подробное описание технических средств и результатов выполненных в гг. работ по рассеянию переохлажденных туманов на станции Venezia Est и автостраде А4 Венеция Триест (Италия) приводится ниже в разделах 7.2 и 7.3 настоящей главы. В 2002 г. руководство акционерного общества «Международный аэропорт» (Алматы, Казахстан) приняло решение возобновить 257

258 работы по рассеянию переохлажденных туманов в аэропорту Алматы при участии и научно-методическом руководстве ЦАО. Первый этап этих работ был выполнен зимой гг. Основная задача этого этапа заключалась в адаптации усовершенствованной азотной технологии применительно к условиям аэропорта Алматы и проведение опытно-производственных работ по рассеянию переохлажденных туманов с использованием стационарных и мобильных жидко-азотных генераторов. Основные результаты выполненных в период с 27 декабря 2002 г. по 30 марта 2003 г. работ по рассеянию переохлажденных туманов в аэропорту Алматы обсуждаются в разделе 7.4 настоящей главы. Следует отметить, что результаты проведенных теоретических, лабораторных и экспериментально-производственных работ послужили основой для разработки руководящих документов по АВ на туманы [138, 139] Рассеивание холодных туманов на автодорогах Принимая во внимание, что в зимний период в северной части Италии наблюдается большое количество дней с туманами, которые наносят ощутимый ущерб, нарушая работу автомобильного транспорта, итальянская фирма «Аутовие Венете» обратилась в 1995 г. в ЦАО с просьбой провести исследования возможности использования разработанной к тому времени жидко-азотной технологии рассеяния холодных туманов в аэропортах, для рассеяния переохлажденных туманов на автостраде А4 Венеция Триест (Италия). В соответствии с обращением в гг. специалистами ЦАО, Агентства атмосферных технологий и Центра «АК- ВА» по Контракту с компанией «Аутовие Венете» был выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований с целью решения задачи рассеяния холодных туманов на Севере Италии на автостраде А4 Венеция-Триест и станции Venezia Est, расположенной в 25 км к северу от Венеции (рис. 7.1) [15, 64, 365]. На первом этапе работ в гг. был получен большой объем данных о характеристиках туманов в районе работ и их эволюции при проведении воздействий жидким азотом [277, 278]. Наблюдения проводились с помощью специально созданной для этого мобильной измерительной системой CAMPER (рис. 7.2).

259 Рис Карта-схема Италии, автострада А4 Венеция Триест и станция Venezia Est (VE) Рис Общий вид мобильной измерительной системы CAMPER и азотные генераторы ГМЧЛ-Н

260 Оборудование, установленное на передвижной измерительной системе, позволяло измерять: метеопараметры с помощью метеостанции BABUC-ABC; распределения по размерам капель и ледяных частиц с помощью приборов PMS: FSSP-100, OAP-2D2-С и PCASP-100X; дальность видимости с помощью измерителя прозрачности РП-01; жидкую и общую (включая ледяную фазу) водность тумана с помощью прибора ИВО; температурный профиль атмосферы до высоты 600 м с помощью профилемера МТП-5. Исследования тумана проводились для изучения возможности искусственного рассеяния туманов на автостраде при различных метеоусловиях и оценки результатов воздействий, которые проводились с использованием шести (четырех стационарных и двух мобильных) генераторов ГМЧЛ-Н-40. Результаты лабораторных тестов показали, что при расходе азота 3000 г/ч производительность азотных генераторов составляла около крист./с при температуре 1 о С и около крист./с при температуре 3 о С [365]. Воздействия на туман на станции VE проводились с помощью установленных на расстоянии м друг от друга 4-х генераторов и перемещения двух мобильных генераторов, установленных на автомобиле Fiat Fiorino, со скоростью не более 20 км/ч вдоль южной или северной границ территории станции в зависимости от направления ветра. Контроль метеопараметров и характеристик тумана выполнялся с помощью мобильной измерительной системы, устанавливаемой, как правило, на середине территории станции (рис. 7.3). Исследования и воздействия на туман проводились также и в мобильном варианте при перемещении Fiat Fiorino и CAMPER по автостраде. Всего за первых два сезона работ (с 12 февраля по 6 марта в 1996 г. и с 4 января по 15 марта в 1997 г.) общее время измерений параметров тумана составило 287 ч (30 дней с туманами), из которых 45 ч (11 случаев) наблюдались туманы при отрицательной температуре (до 5 о С). В гг. было проведено 21 воздействие на холодный туман общей продолжительностью 22 ч. 260

261 Рис Схема станции Venezia Est (VE) и местоположение десяти стационарных жидко-азотных генераторов (N1 N10). Значками Х и обозначены места установки метеостанции и измерителя видимости, соответственно Результаты исследований характеристик переохлажденных туманов на автостраде и искусственных воздействий на них показали [277, 278], что: 1) ветер в тумане в основном имел северное и северо-западное направление; 2) скорость ветра в тумане в 20 % случаев не превышала 0,5 м/с и в 73 % 1 м/с; 3) концентрации капель в теплых туманах не превышали частиц в см 3, а в холодных частиц в см 3 (т.е. в 1,5 2 раза меньше, чем в теплых); 4) размер частиц в тумане не превышал мкм, при этом наблюдались двухмодальные спектры размеров капель с максимумами в диапазоне 2 6 мкм и мкм (рис. 7.4); 5) для значений видимости в тумане от 200 до 1000 м величина водности не превышала 0,02 г/м 3, от 100 до 200 м водность не превышала 0,06 г/м 3, и при видимости меньше 100 м значения водности доходили до 0,27 г/м 3 ; 6) образование и эволюция туманов на автостраде наблюдались только при наличии инверсии температурного профиля в пограничном слое атмосферы (рис. 7.5); 7) в туманах наблюдалась очень сильная изменчивость скорости и направления ветра. Анализ результатов проведенных в гг. воздействий показал, что при отрицательных температурах и скоростях ветра менее 0,5 м/с во всех случаях воздействий передвижная измерительная система регистрировала улучшение видимости через 261

262 Рис Средние спектры размеров капель, наблюдавшихся (холодный туман) и (теплый туман) Рис Различные типы высотных профилей температуры, наблюдавшиеся по время тумана г. 262

263 20 30 мин после включения генераторов. Эффект рассеяния не был обнаружен в тех случаях, когда скорость ветра превышала значение 1 м/с и/или его направление не обеспечивало прохождение зоны с воздействиями через измерительную аппаратуру. В качестве примера на рис. 7.6 приведена запись изменения видимости в холодном (минус 2,5 3,8 о С) тумане, наблюдавшемся на станции VE во время проведения воздействий 4 февраля 1997 г. [365]. В этот день при южном юго-западном направлении ветра воздействия были начаты в 4:10 4:35 после расстановки генераторов по южной границе станции VE. Рис Видимость в холодном тумане: во время проведения воздействий Как видно на рисунке, после 5:08, т.е. через мин после активации генераторов, видимость в результате воздействий выросла с м до м. Однако в период с 5:10 до 5:35 ветер 263

264 поменял направление на северное северо-восточное, в связи с чем генераторы были перемещены к северной границе станции и воздействия проводились с 5:45 до 6:45 вместе с мобильными генераторами, установленными на Fiat Fiorino. Как следует из приведенных на рис. 7.6 графиков, после 06:12 6:15, т.е. через минут после вторичной активации генераторов, стало отчетливо регистрироваться увеличение видимости на территории станции до м. Улучшенная видимость наблюдалась до самого окончания действия генераторов. Таким образом, выполненные в гг. исследования и результаты воздействий показали, что азотная технология, разработанная для использования в аэропортах, может быть применена и для рассеяния переохлажденных туманов на дорогах Северной Италии. В соответствии с рекомендациями российских специалистов итальянской стороной в 1998 г. били изготовлены 10 стационарных (рис. 7.7) и одна мобильная (рис. 7.8) жидко-азотные установки. Стационарный азотный генератор на основе большой емкости (1600 л) обеспечивает: автоматическое поддержание выставленного перед началом работ давления распыления жидкого азота в диапазоне от 2 до 10 атмосфер; возможность продолжительной (несколько суток) непрерывной работы генератора без дозаправки; дистанционное управление включением и выключением генераторов. Все стационарные генераторы были установлены на станции Venezia Est (VE): четыре (N1 N4) вдоль южной стороны и шесть (N5 N10) вдоль северной (см. рис. 7.4). Мобильный азотный генератор (рис. 7.8), представляющий собой генератор, смонтированный на платформе автомашины, может быть использован для воздействий на туман непосредственно при движении. В мобильном генераторе в качестве емкости для азота используется криогенная цистерна типа TL-175V, вмещающая 175 л жидкого азота. Мобильный генератор, как и стационарные, имеет систему автоматического поддержания давления распыления жидкого азота до 16 атмосфер. Узлы распыления размещены в специальных трубах, обеспечивающих повышенную эффективность образования ледяных частиц при движении генератора. Трубы имеют специальные диафрагмирующие заслонки, которые позволяют в зависимости от типа тумана и скорости движения 264

265 генератора по трассе выбрать оптимальный напор поступающего в трубу воздуха. Имеется также возможность регулирования наклона трубы относительно горизонта от 0 до 20 градусов. Оператор имеет возможность включать и выключать мобильные генераторы (каждый узел распыления по отдельности или для одновременной работы) из кабины автомашины. Рис Общий вид стационарного жидко-азотного генератора Рис Общий вид мобильного жидко-азотного генератора 265

266 В течение зимних сезонов гг. было проведено более 40 экспериментов по рассеянию переохлажденных туманов на станции Venezia Est (VE) и на автостраде Венеция Триест с использованием как стационарных, так и мобильного жидко-азотных генераторов. В ходе выполнения экспериментов опытным путем были выбраны оптимальные типы форсунок и определены их размеры, были найдены оптимальные давления распыления жидкого азота для проведения воздействий стационарными и мобильным генераторами. Для метеообеспечения работ по воздействиям на туманы на станции Venezia Est была установлена метеостанция BABUC-ABC, обеспечивающая измерение температуры, относительной влажности воздуха, а также направления и скорости ветра (рис. 7.9). Для получения информации о дальности видимости использовался измеритель видимости американского производства JVS-1200, установленный на высоте 5 м на здании административного корпуса на станции VE (рис. 7.9). Измеритель видимости обеспечивал получение осредненных за 30 с значений метеорологической дальности видимости (МДВ) в диапазоне м и ввод их в компьютер, установленный в помещении Центра управления работами, оборудованном в здании административного корпуса станции VE. На этот же компьютер в реальном масштабе времени подавалась метеоинформация, измеряемая метеостанцией BABUC-ABC. Получаемая информация использовалась для организации воздействий и управления работой установленных на территории станции генераторов. Работы по воздействию на туман продолжались в этот день с 02:15 до 05:25. Воздействие проводилось при давлении распыления жидкого азота 7,5 8 атмосфер с использованием форсунок диаметром 1,2 мм (рис. 7.10, а). В воздействиях также принимал участие мобильный генератор (рис. 7.10, б), перемещавшийся вдоль северной границы станции. На рис приведены фотографии, иллюстрирующие результаты воздействий на переохлажденный туман на станции Venezia Est, По информации, полученной от операторов, работающих на автостраде, в 01:00 01:30 было отмечено образование плотного тумана с видимостью м на 30-км участке автострады, включающем и территорию станции. 266

267 Рис Вид метеостанции BABUC ABC и измерителя видимости JVS-1200, установленных на станции Venezia Est (VE) а б Рис Факелы работающих стационарного (а) и мобильного генераторов (б) 267

268 а б в г 268 д Рис Иллюстрация результатов воздействий на туман на станции Venezia Est В начале работ видимость на станции была м (рис. 7.11, а б), температура воздуха минус 0,5 о С и наблюдался слабый 0,3 0,5 м/с северо-западного направления. Принимая во внимание е

269 направление ветра в период с 02:43 до 3:02 были активизировано шесть генераторов N5-N10, расположенных на северной части территории станции. По данным наблюдений через мин после начала воздействий видимость на территории станции увеличилась до м (рис. 7.11, в г), и продолжала сохраняться на уровне м до конца воздействий (рис. 7.11, д е). Температура воздуха к концу воздействий поднялась до 0 о С, ветер сохранял северо-западное направление и скорость менее 0,5 м/с. Таким образом, в результате воздействий стационарными и мобильными азотными генераторами на холодный туман, наблюдавшийся 15 февраля 1998 г. в районе станции Venezia Est, удалось добиться улучшения видимости на территории стации с м до м. Как отмечалось выше, аналогичные результаты были получены в результате проведения более 40 экспериментов по рассеянию переохлажденных туманов на станции Venezia Est (VE) и на автостраде Венеция Триест в зимних сезонах гг. с использованием стационарных и мобильного жидко-азотных генераторов Автоматизированная система рассеяния переохлажденных туманов на автодорогах Опытная эксплуатация стационарных и мобильных жидкоазотных установок при проведении оперативных работ в сезонах гг. показала высокую эффективность их использования при рассеянии холодных туманов на автостраде Венеция Триест. Проведение оперативных работ по рассеянию туманов в аэропортах [63, 206] и на автодорогах [365] показало, что результаты практического применения технологии искусственного рассеяния переохлажденных туманов в оперативной практике зависят как от эффективности используемых средств воздействия, так и от точного выполнения основных положений методики их применения, возможности непрерывного учета реальной изменчивости метеопараметров, определяющих эффект воздействия, и правильного выбора необходимой производительности генераторов. Очевидно, что для эффективной реализации технологии искусственного рассеяния переохлажденных туманов необходимо создавать и использовать в оперативной работе автоматизированные системы управ- 269

270 ления процессом воздействия. Создание таких систем и их использование в оперативной практике позволит существенно повысить эффективность искусственного рассеяния переохлажденных туманов и снизить требования к квалификации операторов, осуществляющих воздействия. Попытки автоматизировать процесс управления работой комплексов наземных установок для рассеяния переохлажденных туманов предпринимались ранее, но они заканчивались на стадии создания устройств дистанционного управления. Первая такая система была разработана для аэропорта Орли (Франция) в 1960 г. [269]. Аналогичная система использовалась на базах ВВС США в 1975 г. [227]. В России в гг. впервые была начата разработка системы автоматизированного управления процессом воздействия для базы ВВС Моздок, однако она была доведена только до стадии опытного образца [104]. Ниже излагаются результаты работ по созданию автоматизированной системы для рассеяния переохлажденных туманов на станции Venezia Est на автостраде А4 Венеция Триест. Основой такой системы являются десять стационарных дистанционно управляемых азотных генераторов емкостью 1600 л (рис. 7.8), размещенных по периметру раскрываемого объекта (рис. 7.4): четыре генератора (N1 N4) размещены на южной, а шесть генераторов (N5 N10) на северной границе станции. Расстояние между генераторами составляет м. Одной из главных частей автоматизированного комплекса для рассеяния переохлажденных туманов является система автоматизированного управления генераторами. Создание современных автоматизированных систем управления процессом воздействия стало возможным в результате прогресса в области электронновычислительной техники, обеспечивающей оперативное получение и обработку информации о параметрах атмосферы, а также в области разработки численных моделей процесса искусственного рассеяния туманов. Основываясь на результатах многочисленных экспериментов и опытно-производственных работ по искусственному рассеянию туманов, можно констатировать, что основными задачами, решае- 270

271 мыми автоматизацией процесса воздействия на туман с целью его рассеяния, являются: получение и сбор информации о метеорологических величинах в приземном слое атмосферы, определяющих эффект рассеяния тумана; обработка, отображение, накопление и хранение информации о метеопараметрах приземного слоя; оперативный прогноз и оценка эффекта воздействия с помощью численной модели; выработка команд управления процессом воздействия и передача их к объектам управления Численные эксперименты по исследованию влияния метеорологических величин на процесс искусственного рассеяния тумана Одной из основных задач при разработке автоматизированных систем воздействия является выбор параметров, определяющих процесс искусственного рассеяния, которые необходимо контролировать. Наиболее ценным источником информации для выбора таких параметров могли бы служить данные натурных экспериментов. Однако, опыт их проведения показывает, что практически невозможно получить достаточно полную информацию о параметрах зон искусственного рассеяния и их зависимости от метеоусловий и других факторов без наличия специально оборудованного измерительными средствами полигона. В связи с этим для обоснования выбора параметров в ЦАО была разработана нестационарная трехмерная микрофизическая модель процесса искусственного рассеяния переохлажденного тумана с помощью стационарных азотных генераторов. Нестационарная трехмерная численная модель представляет собой модель эволюции тумана при искусственном рассеянии его в пограничном слое атмосферы в области масштабом от нескольких сотен метров до нескольких километров. Процесс рассеяния тумана рассчитывается в модели при изменяющихся во времени значениях метеорологических величин. Для расчета трехмерных полей видимости используются значения температуры, направления и скорости ветра, дальности видимости, получаемые с интер- 271

272 валом 1 2 мин от наземной измерительной системы. На основе этих значений с помощью теоретических данных о параметрах пограничного слоя атмосферы и данных экспериментальных исследований туманов [125] определяются трехмерные поля метеорологических величин, необходимые для расчета процесса рассеяния тумана. Процесс рассеяния тумана описывается в модели с использованием системы уравнений, определяющих изменение во времени и пространстве температуры и влажности воздуха, водности тумана, концентрации ледяных частиц, вырабатываемых генераторами, а также их массы. Эти величины необходимы для расчета конденсационного роста ледяных кристаллов за счет испаряющихся капель тумана и распространения эффекта просветления в пространстве. Решение уравнений модели выполняется с помощью численных конечно-разностных методов. Расчеты выполняются на конечно-разностной сетке, имеющей равные шаги в обоих направлениях по горизонтали y = x, и переменный логарифмически увеличивающийся шаг по вертикали z, при этом вблизи поверхности земли z = 1 м. Расчетная область модели состоит из двух областей, меньшая из которых вложена в большую. Внутренняя область с большим разрешением по горизонтали предназначена для более точного расчета эффекта рассеяния тумана на относительно небольшом удалении от генераторов. Внешняя область с меньшим разрешением по горизонтали предназначена для оценки более удаленных эффектов воздействия. Внутренняя область имеет конечноразностную сетку с количеством узлов равным и шагами по горизонтали y = x = 10 м. Горизонтальные размеры этой области таким образом составляют м. Внешняя область имеет конечно-разностную сетку с количеством узлов и шагами по горизонтали y = x = 50 м, горизонтальные размеры этой области равны м. Вертикальные размеры обеих областей совпадают и равны 200 м. С помощью разработанной модели был выполнен большой объем численных экспериментов по определению влияния различных параметров на процесс рассеяния тумана и обоснованию основных положений алгоритма работы автоматизированной систе- 272

273 мы [15]. Численные эксперименты проводились с использованием информации о температуре, скорости и направлении ветра, полученных при исследовании туманов на станции Venezia Est в гг. Согласно данным измерений дальность видимости в туманах в районе станции изменялась в основном от 30 до 200 м, при этом в 90 % случаев она находилась в пределах от 30 до 100 м. Обычно туманы наблюдались в темное время суток, поэтому температура, как правило, понижалась по мере эволюции тумана. В 38 % случаев температура изменялась от 0,1 до 1,0 о С, в 23 % случаев до 2 о С, в 26 % случаев до 3 о С. В 11 % случаев температура в тумане понижалась до 4 о С. Анализ данных о скорости и направлении ветра показал, что ветер является наиболее изменчивой характеристикой. Во время проведения экспериментов изменение скорости ветра в тумане от 0,1 до 0,5 м/с наблюдалось в 20 % случаев, до 1 м/с в 53 % случаев, до 2 м/с в 23 % случаев и до 3 м/с менее чем в 1 % случаев. Пример фактической изменчивости скорости и направления ветра во время тумана г. приведен на рис Рис Изменчивость скорости и направления ветра во время тумана, наблюдавшегося на станции Venezia Est, 10 февраля 1997 г. 273

274 В численных экспериментах изучалось влияние производительности генераторов (ПГ) на эффект воздействия, а также влияние метеовеличин на характеристики зон искусственного рассеяния тумана и их местоположение относительно генераторов. Численные эксперименты проводились с учетом вынужденного расположения генераторов по границам станции. ПГ за счет изменения расхода жидкого азота путем регулирования давления в емкости и конструкции узла диспергирования азота могла варьироваться от до крист./с. В связи с этим в численных экспериментах ПГ бралась равной , , и крист./с. Значения температуры воздуха при расчетах менялись от 0 до минус 5 о С, а скорость ветра от 0,1 до 2 м/с. В качестве иллюстрации на рис приведены результаты расчета зон искусственного рассеяния тумана для наблюдавшегося на станции 4 февраля 1997 г. плотного тумана с видимостью менее 100 м при температуре воздуха минус 0,5 минус 3,0 о С и скорости ветра 0,1 1 м/с. Из рисунка следует, что при малых скоростях ветра (0,1 0,3 м/с) рассеяние тумана на территории станции (здесь и дальше под этим понимается улучшение видимости до значений более 200 м) достигается при ПГ = крист./с (рис. 7.13, а). При увеличении скорости ветра до 0,4 0,6 м/с рассеяние тумана на станции достигается только при ПГ = крист./с (рис. 7.13, б). При скоростях ветра до 0,7 1 м/с эффект воздействия при ПГ = крист./с проявляется на объекте в виде отдельных очагов, между которыми находятся зоны тумана с видимостью менее м (рис. 7.13, в). При этом туман рассеивается на 35 % территории станции при температуре минус 0,5 0 С и на 60 % при температуре минус 3 0 С. Анализ результатов численных экспериментов, проведенных для наблюдавшихся на станции в гг. метеоусловий и с учетом вынужденного расположения генераторов по границе станции и фактически наблюдавшихся метеоусловий показали: 1) при ПГ = крист./с рассеяние тумана на территории станции обеспечивается только при скоростях ветра 0,3 0,4 м/с; 2) при скорости ветра 0,5 1 м/с рассеяние тумана может быть обеспечено на 50 80% территории объекта при ПГ = крист./с. Эффект искусственного рассеяния проявляется через мин после начала воздействий. 274

275 Производительность генератора, крист./с Температура, 0 C 0,5 1,0 3, а

276 Рис Результаты численных экспериментов по исследованию влияния производительности генератора, температуры и скорости ветра на эффект воздействия. а скорость ветра 0,1 0,3 м/с; б скорость ветра 0,4 0,6 м/с; в скорость ветра 0,7 1 м/с б в

277 3) понижение температуры от 0,5 0 С до 3 0 С приводит к повышению эффективности раскрытия территории станции на %; 4) размещение генераторов с наветренной стороны на расстоянии м от объекта обеспечит рассеяние тумана на объекте во всем диапазоне метеоусловий, наблюдавшихся на станции; 5) в некоторых случаях при проведении воздействий часть генераторов оказывалась в зонах рассеяния с видимостью более 500 м, т.е. в зонах без тумана, в связи с чем эти генераторы могут быть отключены без ущерба для эффекта воздействия, что позволит уменьшить время работы генераторов и расход жидкого азота. Согласно численным экспериментам скорость ветра оказывает существенное влияние на эффект воздействия. Хотя влияние температуры значительно менее выражено, она является важным параметром, который необходимо отслеживать. Туманы чаще всего образуются при температурах, близких к 0 0 С, и температура 0 0 С является критерием возможности использования азотной технологии. В связи с этим, при использовании автоматизированного управления, необходимо непрерывно отслеживать изменение этих величин в процессе воздействия и оперативно вносить коррекцию в прогноз эффекта искусственного рассеяния тумана и команды управления. Контроль эффекта воздействия обычно осуществляется по данным измерения видимости, поэтому эта величина также должна оперативно контролироваться. В связи с изложенным выше система автоматизированного управления должна содержать блок мониторинга таких метеовеличин, как скорость и направление ветра, температура, дальность видимости. Влияние всех этих величин на эффект воздействия должно определяться с помощью логического блока, основой которого является численная модель процесса искусственного рассеяния тумана Структурная схема системы автоматизированного управления процессом искусственного рассеяния тумана Структурная схема системы автоматизированного управления представлена на рис Структура комплекса технических и 277

278 Устройство раскодирования сигнала Генератор 1 Генератор Система сбора и обработки информации Измерение температуры Устройство Устройство раскодирования сигнала анализа Измерение скорости и направления ветра Устройство обработки данных данных и выработки команд управления Устройство дистанционного управления генераторами Измерение видимости Устройство раскодирования сигнала Рис Схема системы автоматизированного управления комплексом наземных стационарных генераторов, установленных на станции Venezia Est. Генератор 10

279 программных средств автоматизированной системы управления может рассматриваться как трехуровневая [15]. Технические и программные средства первого уровня решают задачи сбора и первичной обработки информации о параметрах атмосферы. Комплекс технических и программных средств второго уровня решает задачи выработки команд управления с помощью численной модели процесса искусственного рассеяния тумана с использованием информации, полученной от первого уровня. Комплекс технических средств третьего уровня включает в себя азотные генераторы и устройство управления генераторами. Технические средства первого уровня включают в себя метеостанцию, обеспечивающую оперативное измерение температуры, скорости и направления ветра, а также приборы для измерения дальности видимости. Как следует из результатов численных экспериментов и данных о ветре в районе объекта, для автоматизации управления генераторами на станции Venezia Est необходимо использовать по крайней мере три измерителя видимости. Один из них должен находиться на территории станции и по одному измерителю видимости должны быть размещены к северу и к югу на удалении около 500 м от объекта. Программное обеспечение системы первого уровня вырабатывает команды для периодического опроса датчиков, производит первичную обработку данных и представление их в формате, пригодном для использования техническими средствами второго уровня. Комплекс технических и программных средств второго уровня включает в себя компьютер и программу для моделирования процесса искусственного рассеяния тумана и выработки управляющих команд. При полной автоматизации процесса искусственного рассеяния тумана комплекс средств третьего уровня должен включать в себя блок введения в действие генераторов, который должен обеспечивать прием управляющих команд, их раскодирование, включение и выключение генераторов, и контроль их работы. 279

280 Алгоритм работы системы автоматизированного управления наземными азотными установками Основываясь на результатах измерений метеопараметров и характеристик тумана, на результатах анализа экспериментальных воздействий на холодные туманы на автостраде, а также на результатах численных экспериментов, выполненных с использованием трехмерной численной модели, был разработан алгоритм работы автоматизированной системы рассеяния холодных туманов на станции Venezia Est, описание которого приводится ниже. Система автоматизированного управления предусматривает три режима работы: режим слежения, подготовительный и рабочий режимы. В режиме слежения производится сбор и обработка информации о температуре воздуха, скорости и направлении ветра, а также метеорологической дальности видимости. В результате обработки этой информации формируется файл данных для использования техническими средствами второго уровня. В режиме слежения также запускаются программы второго уровня, которые выполняют анализ данных о метеовеличинах и видимости, и при наличии отрицательной температуры и ухудшении условий видимости до некоторого порогового (критического) значения система переводится в подготовительный режим. С учетом опыта эксплуатации генераторов и характеристик туманов на объекте, пороговое значение видимости может быть взято равным 400 м. При переходе в подготовительный режим включаются все генераторы для вывода их на рабочий режим и запускаются программы расчета и отображения на дисплее ЭВМ полей видимости и выдачи команд на управление генераторами. После определения режима работы генераторов программа продолжает работу в рабочем режиме, анализируя вновь поступающую с блока обработки первичную информацию. В случае, если температура воздуха стала положительной или видимость по всем трем измерителям стала более 300 м, программой выдается команда на выключение всех генераторов. Кроме того, при условии, что в радиусе 50 м вокруг какого-либо генератора по результатам чис- 280

281 ленного моделирования видимость превышает 500 м, выдается команда на выключение этого генератора. В случае выключения всех генераторов система автоматизированного управления переходит в режим слежения, и ее дальнейшая работа определяется алгоритмом, описанным выше. Таким образом, базируясь на современных технических средствах стационарных дистанционно управляемых азотных генераторах, и нестационарной трехмерной численной модели процесса искусственного рассеяния холодного тумана, была разработана автоматизированная система воздействия для рассеяния туманов на станции Venezia Est (Италия). Анализ результатов численных экспериментов, выполненных с использованием данных о метеовеличинах и характеристиках тумана в районе объекта, а также результатов опытных воздействий на холодные туманы на станции, показал, что определяющими параметрами при выборе режима работы генераторов в автоматизированной системе являются скорость и направление ветра, температура и видимость. На основе результатов численных экспериментов был разработан алгоритм работы системы автоматизированного управления наземными азотными генераторами, установленными на территории станции. Численные эксперименты показали, что использование предложенного алгоритма позволяет получить эффект рассеяния тумана на объекте практически во всем диапазоне метеоусловий, наблюдавшихся во время проведения натурных экспериментов, однако для этого требуется усовершенствовать схему размещения стационарных генераторов, разместив их на удалении м от границ объекта. Разработанная автоматизированная система рассеяния холодных туманов может быть легко адаптирована для использования на других объектах на автодорогах и в аэропортах Рассеивание переохлажденных туманов в аэропортах Искусственное рассеяние туманов, как следует из Заявления ВМО о положении дел в области Активных воздействий на погоду [382], является одной из важнейших задач, стоящих перед учеными и исследователями, работающими в области метеорологии. Интерес к проблеме искусственного рассеяния туманов связан с тем, что несмотря на значительный прогресс в авиационной технике и 281

282 развитии навигационных систем, туманы до настоящего времени наносят ощутимый ущерб даже развитым в экономическом отношении странам, нарушая работу авиационного транспорта. Применение современных систем посадки самолетов позволяет существенно снизить ущерб, наносимый туманом, однако установка и эксплуатация таких систем целесообразны только в крупных аэропортах. В последние годы в ряде стран в связи с удорожанием топлива наблюдается рост использования малой авиации, и, следовательно, создание сети небольших аэропортов, где применение систем посадки высокой категории экономически невыгодно. В то же время во многих районах наблюдаются метеоусловия, сопровождающиеся как теплыми, так и холодными туманами, нарушающими работу авиационного транспорта. В связи с этим в таких регионах остро стоит задача искусственного рассеяния туманов. Как отмечалось в параграфе 7.1, в 80-х годах в ЦАО были разработаны наземные азотные генераторы ГМЧЛ-Н-40 и с их использованием в аэропортах Алмата и Шереметьево в период гг. было проведено 122 воздействия на переохлажденные туманы, что позволило в общей сложности принять и выпустить 2567 воздушных судов и предотвратить 9918 ч задержек выполнения рейсов в условиях тумана. При этом положительные результаты были достигнуты в 87 % случаев [63]. В гг. полевые эксперименты по применению разработанной в России азотной технологии рассеяния переохлажденных туманов были проведены ЦАО совместно с итальянской ассоциацией Технагро в аэропорту Парма (Италия) [229]. В результате выполненных по контракту с ассоциацией Технагро работ, специалистами ЦАО с использованием трехмерной нестационарной численной модели процесса образования зон искусственного рассеяния тумана при различных метеоусловиях с учетом производительности используемых генераторов, были разработаны предложения по оборудованию усовершенствованными стационарными системами азотных генераторов аэропортов в Парме, Милане и Вероне. В 2002 г. руководством ОАО «Международный аэропорт» (Алматы, Казахстан) было принято решение возобновить работы по рассеянию переохлажденных туманов в аэропорту Алматы при 282

283 участии и научно-методическом руководстве ЦАО. Основными задачами выполненных в зимнем сезоне гг. работ [120] были: адаптация усовершенствованной технологии к условиям аэропорта Алматы и проведение опытно-производственных работ по рассеянию переохлажденных туманов с использованием жидкоазотных генераторов. Результаты этих работ, иллюстрирующие возможности использования азотной технологии для рассеяния переохлажденных туманов в аэропортах, составляют содержание данного раздела Информация, необходимая для разработки схем размещения генераторов Одной из наиболее важных проблем, связанных с применением технологии искусственного рассеяния туманов с помощью наземных стационарных генераторов, является разработка схем их размещения относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП). Правильный выбор схемы размещения генераторов является одним из главных условий получения положительного эффекта воздействия на туман. При разработке схемы размещения генераторов в зоне аэропорта используется следующая информация: сведения о техническом оснащении аэропорта системами посадки самолетов; информация о количестве, ориентации и длине взлетнопосадочных полос; о производительности используемых жидко-азотных генераторов; данные о повторяемости различных скоростей и направлений ветра в дни с холодными туманами; изменчивость направлений и скоростей ветра в отдельных случаях тумана; повторяемость различных значений температуры в дни с туманами; данные о видимости в дни с туманами и ее изменчивости; данные о геометрических параметрах зон искусственного рассеяния туманов и их местоположении относительно генераторов в различных метеоусловиях. 283

284 При разработке схемы размещения генераторов необходимо учитывать расположение дорог на различных удалениях от ВПП. Количество генераторов для каждого аэропорта должно определяться индивидуально. Так, для аэропорта Алматы ориентировочное количество генераторов с учетом схемы размещения составляет штук Некоторые данные о техническом оснащении аэропорта Алматы Техническое оснащение аэропортов системами посадки самолетов определяет требования к геометрии зоны искусственного рассеяния и условиям видимости в ней. В аэропорту Алматы имеется одна ВПП длиной 4400 м, ориентированная по направлению Схема летного поля аэропорта Алматы приведена на рис Одно направление (курс ) оборудовано для посадки по метеоминимуму II категории ИКАО. На схеме буквой А 2 обозначена проекция точки принятия решения. Точка В 2 является границей зоны приземления при посадке с курсом Видимость в этой части ВПП должна быть не менее 350 м. На участке ВПП от точки В2 до точки С2 (зона пробега и руления) видимость должна быть не менее 200 м. Такая видимость должна быть до высоты не менее 10 м. Над точкой принятия решения и до торца полосы видимость 350 м должна наблюдаться до высоты 30 м. При посадке с курсом 52 0 должны соблюдаться требования I категории ИКАО. В этом случае зона искусственного рассеяния с видимостью не менее 750 м должна располагаться от точки принятия решения А 1 до точки В 1. Высота зоны с такой видимостью должна в точке принятия решения достигать 60 м, а в точке В 1 20 м. На расстоянии от точки В 1 до С 1 видимость на ВПП должна быть не менее 200 м, а высота раскрытой зоны должна достигать 10 м Технические средства воздействия, измерения метеопараметров и контроля эффекта рассеяния переохлажденных туманов Для воздействия на переохлажденные туманы в аэропорту Алматы на первом этапе (до 10 февраля 2003 г.) использовалось

285 285 Рис Схема размещения генераторов в районе аэропорта Алматы

286 16, а на втором этапе (после 10 февраля) 31 генератор, ГМЧЛ-Н- 40. Технология рассеивания переохлажденных туманов в аэропорту Алматы предусматривала режимы воздействий с использованием генераторов, установленных стационарно в районе аэропорта (рис.7.15), и мобильного варианта с установкой генераторов на специальные тележки (рис. 7.16). Рис Мобильный вариант жидко-азотных генераторов Для проведения воздействий и контроля эффекта рассеяния тумана использовались данные о температуре воздуха, скорости и направлении ветра (в двух точках: СДП52 и СДП232) и метеорологической дальности видимости (в трех точках: СДП52, середина ВПП и СДП232) (рис. 7.15). Эти параметры измерялись с помощью комплексной радиотехнической аэродромной метеорологической станции (КРАМС-40). Информация отображалась в режиме реального времени на Метеодисплее, установленном в Центре управления (ЦУ) работами по рассеянию туманов (рис. 7.17). 286

287 Рис Дисплей для отображения метеопараметров, получаемых в аэропорту Алматы с помощью аэродромной метеостанции КРАМС Анализ данных метеонаблюдений в дни с туманами Результаты обработки и анализа архивных метеорологических данных показали, что повторяемость переохлажденных туманов в аэропорту Алматы достаточно велика. Ежегодно в аэропорту наблюдается от 27 до 46 дней с переохлажденным туманом, достигая в отдельные годы до 62 дней. Наибольшая повторяемость холодных туманов приходится на декабрь, январь и февраль. Наиболее часто (около 63 % случаев) туманы наблюдаются при температурах от 5 0 С до 15 0 С. Повторяемость туманов при температурах от 0 до 2 0 С составляет порядка 14 %, а для температур ниже 15 0 С около 6 % случаев. В большинстве случаев скорость ветра в холодных туманах изменялась в пределах от 0 до 2 м/с (в отдельные сезоны от 63 до 90 % случаев). Скорость ветра от 2 м/с до 3 м/с наблюдалась примерно в % случаев. Скорость ветра 4 м/с и более наблюдалась только в 1 2 % случаев. 287

288 Разработка схем размещения генераторов в районе аэродрома Алматы Имеющиеся экспериментальные данные о структуре и размерах зон искусственного рассеяния переохлажденных туманов и об их местоположении относительно азотных генераторов не охватывают весь диапазон метеоусловий, характерных для образования туманов. Недостающие сведения дополнялись с помощью численных экспериментов с использованием трехмерной нестационарной численной модели, достаточно реально воспроизводящей процесс естественной эволюции и искусственного рассеяния тумана. Необходимые для численного моделирования требования к условиям видимости в зонах искусственного рассеяния и их геометрических параметрах были получены из информации о техническом оснащении аэропорта. Расчет геометрических параметров зон искусственного рассеяния и их местоположения относительно генераторов выполнялся для метеоусловий, характерных для аэродрома Алматы. В расчетах учитывалось изменение производительности генераторов в зависимости от температуры в тумане по данным лабораторных испытаний. В большинстве случаев она принималась равной крист./с. Расстояние между генераторами было выбрано с учетом имеющегося опыта раскрытия аэропортов. В основных расчетах оно составляло 200 м. Из приведенных в табл. 7.1 результатов численного моделирования удалений зон искусственного рассеяния от генераторов следует, что при штилевых условиях (скорость ветра до 1 м/с) зоны искусственного рассеяния переохлажденных туманов с видимостью более 350 м находятся на удалениях от 50 до 150 м от генераторов (для высоты 2 м), от 300 до 700 м на высоте 30 м и от 500 до 1200 м на высоте 60 м. Причем расстояния уменьшаются с понижением температуры воздуха, что связано с повышением эффективности работы генераторов. С увеличением скорости ветра наблюдается удаление зон рассеяния от генераторов на расстояния до м на высоте 2 м, до м на высоте 30 м и до м на высоте 60 м. Результаты численных экспериментов позволяют предположить, что при скорости ветра до 1 м/с или при направлении ветра, близком к направлению ВПП, генераторы могут быть размещены

289 на территории аэропорта вдоль дорог вокруг ВПП. При скоростях ветра более 1 м/с и направлении, ветра существенно отличном от направления ВПП, генераторы следует располагать за пределами аэропорта с учетом расположения дорог на различных удалениях от ВПП. Таблица 7.1 Расчет удалений от генераторов зон искусственного рассеяния с видимостью более 350 м на различных высотах при различных метеоусловиях Температура, на высоте на высоте на высоте на высоте 0 ветра, м/с Удаление зон от генераторов, м Скорость С 2 м 10 м 30 м 60 м 0,5 0, ,5 1,0 2,0 3, , ,5 1,0 3, Примечания: производительность генератора крист./с, расстояние между генераторами 200 м, видимость более 350 м. С учетом результатов численного моделирования и фактического расположения дорог на территории и вокруг аэропорта были разработаны предварительные варианты схем расположения жидко-азотных генераторов, которые постоянно уточнялись в процессе опытно-производственных работ по искусственному рассеянию переохлажденных туманов. Так, при проведении опытно-производственных работ по рассеиванию переохлажденных туманов в аэропорту Алматы в зимнем сезоне гг. использовалось два варианта схем размещения генераторов. На рис показаны позиции для установки генераторов при их размещении за пределами территории аэропорта Алматы. На рис показано расположение жидко-азотных установок для рассеивания тумана при их размещении на территории аэродрома. На рисунках также показано местоположение трех измерителей видимости в районе старта 52 о (ИВ-52), на середине ВПП (ИВ-С) и на старте 232 о (ИВ-232). 289

290 290 Рис Схема размещения стационарных генераторов на территории аэропорта Алматы Результаты опытно-производственных работ Опытно-производственные работы по рассеиванию переохлажденных туманов в аэропорту Алматы проводились с 27 декабря 2002 г. по 20 марта 2003 г. В табл. 7.2 приведены сводные данные о датах, времени, продолжительности туманов, количестве использовавшихся генераторов, температуре воздуха и скорости ветра для всех случаев переохлажденных туманов, наблюдавшихся в аэропорту за период работ. Общая продолжительность работ по рассеиванию туманов составила 119 ч 25 мин, при этом за период работ было отмечено 24 случая (29 дней) с переохлажденными туманами. Из данных таблицы видно, что при средней непрерывной продолжительности туманов около 4 7 ч, в четырех случаях продолжительность превышала 8 ч. Туман, отмечавшийся в ночь с 1 на 2 февраля 2003 г., имел продолжительность 17 ч 10 мин. Воздействия на туман в декабре 2002 г. марте 2003 г. проводились при температуре от 0 до 16,4 о С и скорости ветра от штилевых условий до 3 м/с. Начальная метеорологическая дальность видимости была в большинстве случаев менее 100 м. По отчетным данным прилетов и вылетов воздушных судов за период работ в дни с переохлажденными туманами за счет искусственного рассеивания туманов на аэродроме Алматы был обеспечен прием 98 и выпуск 118 самолетов. При проведении опытно-производственных работ для оценки результатов воздействия на туманы в аэропорту Алматы использовались только данные наземных наблюдений. Однако для оценки правильности выбранной в конкретном эксперименте схемы размещения генераторов необходимы данные о геометрических пара-

291 метрах образовавшихся зон рассеяния на высотах 10, 30 и 60 м. Эта информация может быть получена с помощью численного моделирования конкретных случаев воздействия с учетом изменчивости метеопараметров в процессе проведения работ. Таблица 7.2 Сводные данные по воздействиям на переохлажденные туманы п/п Дата в аэропорту Алматы в зимнем сезоне гг. Период Число Продолжительность воздействий генераторов (UTC) Температура, о С Скор. ветра, м/с 1 28/12/ :15 20:00 1 ч 45 мин 4 7,0 9, /12/ :30 01:30 7 ч 00 мин 16 11,5 15, /01/ :00 07:30 1 ч 30 мин 8 0,3 1, /01/ :00 20:30 22:30 04:00 8 ч 00 мин 16 7,7 9, /01/ :00 03:00 10 ч 00 мин 16 8,5 10, /01/ :15 01:00 8 ч 45 мин 15 0,0 1, /01/ :30 20:30 5 ч 00 мин 14 0,1 0, /01/ :50 04:55 2 ч 05 мин 15 4,0 4, /01/ :20 11:30 1 ч 10 мин 4 1,0 1, /01/ :00 08:00 3 ч 00 мин 12 0,7 1, /01/ :15 05:55 3 ч 40 мин 15 8,0 16, /01 01/02/ :20 06:45 7 ч 25 мин 15 10,3 13, /02/ :50 17:00 4 ч 10 мин 15 7,2 10, /02/ :20 06:00 11 ч 40 мин 15 7,5 11, /02/ :20 06:00 5 ч 40 мин 23 6,4 9, /02/ :40 21:00 22:40 06:30 10 ч 40 мин 24 4,8 11, /02/ :30 18:30 2 ч 00 мин Деж. 8,5 10, /02/ :00 21:20 22:00 00:35 4 ч 55 мин 23 5,5 7, /02/ :10 00:40 3 ч 30 мин 25 7,1 8, /02/ :00 02:40 1 ч 40 мин 19 6,5 8, /02/ :20 03:00 4 ч 40 мин 25 2,7 3, /03/ :25 05:00 8 ч 35 мин 26 0,3 1, /03/ :15 24:00 1 ч 45 мин Деж. 0,8 1, /03/ :10 02:00 0 ч 50 мин Деж. 2,1 2,7 1 2 На рис. 7.19, 7.20 в качестве примера приведены результаты численного моделирования зоны искусственного рассеяния, образовавшиеся при воздействии на переохлажденный туман декабря 2002 г., и данные измерений видимости в трех точках вблизи ВПП. 291

292 На высоте 2 м На высоте 10 м На высоте 30 м На высоте 60 м Рис Рассеяние переохлажденного тумана декабря 2002 г. Результаты численного моделирования через 60 мин от начала воздействий. Производительность генераторов крист./с. 292

293 На высоте 2 м На высоте 10 м 293 На высоте 30 м На высоте 60 м Рис Рассеяние переохлажденного тумана декабря 2002 г. Результаты численного моделирования через 210 мин от начала воздействий. Производительность генераторов крист./с.

294 Туман в районе аэропорта образовался 29 декабря в 17 ч 49 мин при температуре воздуха 10,6 о С, направлении ветра градусов и скорости ветра 1 2 м/с. Принимая во внимание скорость и направление ветра, средства воздействия были размещены по схеме с внешней расстановкой генераторов за пределами территории аэропорта. Искусственные воздействия на туман были начаты в 18 ч 30 мин десятью генераторами, установленными в точках 21, 22, (см. рис. 7.15). На рис приведены результаты численного моделирования рассеяния переохлажденного тумана через 60 мин, а на рис через 210 мин после начала воздействий. В связи с изменением направления ветра на юго-восточный к этому моменту были убраны генераторы в точках 21 и 22 и дополнительно расставлено 6 генераторов в точках (см. рис. 7.15). Приведенные примеры наглядно показывают правильность выбранной схемы размещения средств воздействия декабря 2002 г. Результаты численного моделирования достаточно хорошо совпали с данными прямых измерений видимости в районе ВПП (рис и 7.22). На рисунках видно, что через мин после начала воздействий видимость на ВПП в районе середины и СДП232 превышала 350 м, т.е. соответствовала метеоминимуму II категории ИКАО, что позволяло производить прием и выпуск воздушных судов. В то же время в районе СДП52, где воздействия не проводились, видимость на ВПП зачастую была менее 350 м. Таким образом, опытно-производственные работы по рассеянию холодных туманов, проведенные в период с 27 декабря 2002 г. по 30 марта 2003 г., подтвердили эффективность использования российской азотной технологии для искусственного рассеяния переохлажденных туманов в аэропорту Алматы. Во время проведения работ в условиях тумана (80 % из которых наблюдались при температурах ниже 0 о С) было принято 98 и выпущено 118 воздушных судов. Проведенные работы позволяют сделать вывод, что эффективность рассеяния переохлажденных туманов в аэропорту Алматы может быть повышена за счет использования более совершенных жидко-азотных установок и автоматизации процесса рассеяния тумана. При этом в условиях аэропорта Алматы целесообразно дополнить схему размещения стационарных генераторов специально разработанными для различных метеоусловий маршрутами мобильных жидко-азотных установок. 294

295 29 Декабря 2002 г СДП232 Середина ВПП СДП52 Видимость, м :00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 Генераторы 21, ,20 Время (UTC) Рис Видимость на ВПП в трех точках измерений: старт-232, середина и старт-52 во время проведения воздействий декабря 2002 г. Рис Временная эволюция видимости в трех точках ВПП: СДП52, середина ВПП и СДП232 во время проведения воздействий декабря 2002 г. 295


К Конденсация переход воды из газообразного состояния в жидкое

К Конденсация переход воды из газообразного состояния в жидкое Конденсация в атмосфере Лектор: Соболева Надежда Петровна, доцент каф. ГЭГХ К Конденсация переход воды из газообразного состояния в жидкое Конденсация начинается ае при достижении воздухом насыщения, чаще

Подробнее

Исследование корреляционных зависимостей результатов измерений радиотеплового излучения атмосферы трехдиапазонной микроволновой радиометрической

Исследование корреляционных зависимостей результатов измерений радиотеплового излучения атмосферы трехдиапазонной микроволновой радиометрической Исследование корреляционных зависимостей результатов измерений радиотеплового излучения атмосферы трехдиапазонной микроволновой радиометрической системой И.Н. Ростокин 1, Е.В.Федосеева 1, Г.Г. Щукин 2,

Подробнее

А.А. Бычков*, Б.Н. Сергеев*, Г.Г. Щукин** ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЕГКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

А.А. Бычков*, Б.Н. Сергеев*, Г.Г. Щукин** ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЕГКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 68 УДК 551.509.617:629.735 А.А. Бычков*, Б.Н. Сергеев*, Г.Г. Щукин** ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЕГКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ * Агентство атмосферных технологий;

Подробнее

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, УДК 551.509.616 МЕТОДИКА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ ВОЛНИСТООБРАЗНЫХ ОБЛАКОВ С ЦЕЛЬЮ ВЫЗЫВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ОСАДКОВ А.П. Доронин, Н.А. Козлова, В.М. Петроченко, Г.Г. Щукин Военно-космическая академия

Подробнее

И.А. Осокина, В.П. Баханов

И.А. Осокина, В.П. Баханов УДК 55.57 И.А. Осокина, В.П. Баханов ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЛАКОВ И ОСАДКОВ ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ДАННЫМ В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД ГОДА На экспериментальном радиолокационном материале исследованы структура и динамика

Подробнее

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ РД МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Проведение работ по искусственному регулированию погодных условий в мегаполисах

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ РД МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Проведение работ по искусственному регулированию погодных условий в мегаполисах ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ РД 52.11.677 2006 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Проведение работ по искусственному регулированию погодных

Подробнее

РД Методические указания. Проведение работ по искусственно... Стр. 1 из 16

РД Методические указания. Проведение работ по искусственно... Стр. 1 из 16 РД 52.11.637-2002 - Методические указания. Проведение работ по искусственно... Стр. 1 из 16 РД 52.11.637-2002. Методические указания. Проведение работ по искусственному увеличению атмосферных осадков самолетными

Подробнее

Данелян Баграт Григорьевич КОМПЛЕКСНЫЙ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ

Данелян Баграт Григорьевич КОМПЛЕКСНЫЙ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ На правах рукописи Данелян Баграт Григорьевич КОМПЛЕКСНЫЙ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСКУССТВЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ 25.00.29 физика атмосферы и гидросферы АВТОРЕФЕРАТ

Подробнее

Стратификация и вертикальное равновесие насыщенного воздуха. Врублевский С. В. Белорусский национальный технический университет.

Стратификация и вертикальное равновесие насыщенного воздуха. Врублевский С. В. Белорусский национальный технический университет. Стратификация и вертикальное равновесие насыщенного воздуха Врублевский С. В. Белорусский национальный технический университет Введение Воздух в тропосфере находится в состоянии постоянного перемешивания

Подробнее

Условия образования замерзающих осадков в Европейской России и катастрофический гололед в декабре 2010 г.

Условия образования замерзающих осадков в Европейской России и катастрофический гололед в декабре 2010 г. Условия образования замерзающих осадков в Европейской России и катастрофический гололед в декабре 21 г. Н.П. Шакина*, И.А. Хоменко**, А.Р. Иванова*, Е.Н. Скриптунова* * ФГБУ «Гидрометцентр России», Москва,

Подробнее

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МЕТЕОРОЛОГИИ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МЕТЕОРОЛОГИИ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МЕТЕОРОЛОГИИ 1. Из каких преобладающих газов состоит атмосфера? 2. На сколько слоев (или сфер) подразделяется атмосфера? 3. Как называется прослойка, отделяющая тропосферу от стратосферы?

Подробнее

Влияние изменения климата на авиацию. Бакалавры 4 курса Коваленко Ю.П. Михеева А.В. Князьков Д.Ю. Промкин А.Э. Руководитель: Лощенко К.А.

Влияние изменения климата на авиацию. Бакалавры 4 курса Коваленко Ю.П. Михеева А.В. Князьков Д.Ю. Промкин А.Э. Руководитель: Лощенко К.А. Влияние изменения климата на авиацию Бакалавры 4 курса Коваленко Ю.П. Михеева А.В. Князьков Д.Ю. Промкин А.Э. Руководитель: Лощенко К.А. Глобальный аэронавигационный план Международной организации гражданской

Подробнее

Роль испарения в атмосферной конвекции «впрыскивание» водяного пара в нижнюю часть столба воздуха также приводит к уменьшению плотности воздуха и

Роль испарения в атмосферной конвекции «впрыскивание» водяного пара в нижнюю часть столба воздуха также приводит к уменьшению плотности воздуха и Роль испарения в атмосферной конвекции «впрыскивание» водяного пара в нижнюю часть столба воздуха также приводит к уменьшению плотности воздуха и делает его еще более неустойчивым. Вертикальная конвекция

Подробнее

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ГРОЗ. Неижмак А. Н., Мозиков Б. В., Гридасов Д. Н., ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ГРОЗ. Неижмак А. Н., Мозиков Б. В., Гридасов Д. Н., ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ГРОЗ В ЗАДАЧЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ АВИАЦИИ Неижмак А. Н., Мозиков Б. В., Гридасов Д. Н., ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж Обеспечение безопасности любого вида деятельности является

Подробнее

кристаллы льда, выпадающие из облаков или осаждающиеся из воздуха на поверхности земли и предметах

кристаллы льда, выпадающие из облаков или осаждающиеся из воздуха на поверхности земли и предметах Атмосферные осадки Лектор: Соболева Надежда Петровна, доцент каф. ГЭГХ Атмосферные осадки капли воды и кристаллы льда, выпадающие из облаков или осаждающиеся из воздуха на поверхности земли и предметах

Подробнее

ОБЛАКА. СУСЛОВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА, УЧИТЕЛЬ ГЕОГРАФИИ МОУ СИНЬКОВСКАЯ СОШ 1.

ОБЛАКА. СУСЛОВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА, УЧИТЕЛЬ ГЕОГРАФИИ МОУ СИНЬКОВСКАЯ СОШ 1. ОБЛАКА. СУСЛОВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА, УЧИТЕЛЬ ГЕОГРАФИИ МОУ СИНЬКОВСКАЯ СОШ 1. ИЗ ЧЕГО СОСТОЯТ ОБЛАКА? ОБЛАКА, видимая масса частиц воды или кристаллов льда, взвешенных в нижних слоях атмосферы. Облака образуются,

Подробнее

МЕТОДИЧЕСКИЕ УК А ЗА Н И Я. Проведение работ по искусственному увеличению осадков из слоистообразных облаков

МЕТОДИЧЕСКИЕ УК А ЗА Н И Я. Проведение работ по искусственному увеличению осадков из слоистообразных облаков РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ МЕТОДИЧЕСКИЕ УК А ЗА Н И Я Проведение работ по искусственному увеличению осадков из слоистообразных облаков проектное бюро РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Проведение работ

Подробнее

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАБОТ ПО ИСКУССТВЕННОМУ УВЕЛИЧЕНИЮ ОСАДКОВ НА ЭТАПЕ ИХ ПЛАНИРОВАНИЯ A.V.

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАБОТ ПО ИСКУССТВЕННОМУ УВЕЛИЧЕНИЮ ОСАДКОВ НА ЭТАПЕ ИХ ПЛАНИРОВАНИЯ A.V. ЭКОНОМИКА А.В. Клейменова, Б.П. Колосков, В.П. Корнеев, В.И. Лозовой, И.И. Акимова ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАБОТ ПО ИСКУССТВЕННОМУ УВЕЛИЧЕНИЮ ОСАДКОВ НА ЭТАПЕ ИХ ПЛАНИРОВАНИЯ A.V. Kleimenova,

Подробнее

И.Н. Ростокин, Е.В. Федосеева, Е.А. Ростокина, А.С. Круглов

И.Н. Ростокин, Е.В. Федосеева, Е.А. Ростокина, А.С. Круглов II Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2018» Экспериментальные исследования пространственно-временной

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. , a w c dτ. = D m v w [e E vw

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. , a w c dτ. = D m v w [e E vw ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 Исследование процессов диффузионного и коагуляционного роста капель воды и кристаллов льда в облаках Цель работы Исследовать особенности процесса диффузионного и коагуляционного роста

Подробнее

), (2) где водность облака; Т измеряемая радиояркостная температура;

), (2) где водность облака; Т измеряемая радиояркостная температура; Оценка погрешности измерения интенсивности дождя радиометрическим методом Е.В.Федосеева 1, Г.Г.Щукин, Д.М.Караваев 1 Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени

Подробнее

МЕТЕОРОЛОГИЯ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 3

МЕТЕОРОЛОГИЯ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 3 МЕТЕОРОЛОГИЯ С.М. Гальперин, В.Н. Козлов, Г.Г. Щукин АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПО СОЗДАНИЮ БЛАГОПРИЯТНЫХ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ 15 17 ИЮЛЯ 2006 г. S.M. Galperin,

Подробнее

перемещение определяет погоду

перемещение определяет погоду Воздушные массы и атмосферные фронты Лектор: Соболева Надежда Петровна, доцент каф. ГЭГХ Воздушные массы массы воздуха, относительно однородные д в горизонтальном направлении по своим физическим свойствам,

Подробнее

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ И КОНДЕНСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ ТЕТРАБУТИЛАММОНИЯ ВО ФРЕОНЕ. Шогенова М.М. (Россия, г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ И КОНДЕНСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ ТЕТРАБУТИЛАММОНИЯ ВО ФРЕОНЕ. Шогенова М.М. (Россия, г. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ И КОНДЕНСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ ТЕТРАБУТИЛАММОНИЯ ВО ФРЕОНЕ Шогенова М.М. (Россия, г. Нальчик) Льдообразующие аэрозоли одно из основных средств искусственного воздействия

Подробнее

Аналитическая модель верхней границы облачности

Аналитическая модель верхней границы облачности Аналитическая модель верхней границы облачности Г.С. Голицын 1, Б.П. Руткевич, П.Б. Руткевич 1 Институт физики атмосферы РАН Институт космических исследований РАН 117977, Москва, ул. Профсоюзная, 8/3 E-mail:

Подробнее

Зональный и меридиональный перенос водяного пара в атмосфере

Зональный и меридиональный перенос водяного пара в атмосфере Зональный и меридиональный перенос водяного пара в атмосфере Макросиноптические процессы классифицируют по типам циркуляции При зональном типе циркуляции над Северным полушарием господствует западный перенос

Подробнее

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» РЕШЕНИЕ Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические

Подробнее

Примерный банк заданий по физике 8 класс базовый уровень. 1.1Агрегатные состояния. Плавление и отвердевание

Примерный банк заданий по физике 8 класс базовый уровень. 1.1Агрегатные состояния. Плавление и отвердевание Примерный банк заданий по физике 8 класс базовый уровень. 1.1Агрегатные состояния. Плавление и отвердевание 1. Агрегатное состояние вещества определяется 1)размерами частиц и расстоянием между ними 2)расстоянием

Подробнее

Применение метода СВЧ-радиометрии в задачах регионального сверхсрочного прогноза опасных явлений погоды и наукастинга. Д.М. Караваев*, Г.Г.

Применение метода СВЧ-радиометрии в задачах регионального сверхсрочного прогноза опасных явлений погоды и наукастинга. Д.М. Караваев*, Г.Г. Применение метода СВЧ-радиометрии в задачах регионального сверхсрочного прогноза опасных явлений погоды и наукастинга Д.М. Караваев*, Г.Г. Щукин ** Главная геофизическая обсерватория им.а.и.воейкова, 194291,

Подробнее

ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНЫХ ОСАДКОВ

ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНЫХ ОСАДКОВ ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНЫХ ОСАДКОВ К.Д. Василевский, В.П. Садоков Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации vsadoov@mecom.ru Введение Одномерные модели конвекции довольно

Подробнее

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, УДК [551.576+551.509.616]:551.509.68(470.3) 28 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ НАД ЦЕНТРАЛЬНЫМ РАЙОНОМ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОБЛЕМЕ ПРОФИЛАКТИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНЫХ

Подробнее

C-A Cu-Cb St,Sc Ns 5. Рис. 1. Повторяемость форм облачности в синоптические сроки (%)

C-A Cu-Cb St,Sc Ns 5. Рис. 1. Повторяемость форм облачности в синоптические сроки (%) УДК 551.557 Исследование взаимозаменяемости радиолокационной и космической информации для прогнозирования метеорологических условий Н.И. Толмачева, Л.Н. Ермакова Пермский государственный университет Введение.

Подробнее

Задание 5 для 8 класса ( учебный год) Влажность. Кипение. Фазовые переходы. Часть 1. Теория и примеры решения задач

Задание 5 для 8 класса ( учебный год) Влажность. Кипение. Фазовые переходы. Часть 1. Теория и примеры решения задач Задание 5 для 8 класса (2017-2018 учебный год) Влажность. Кипение. Фазовые переходы. Часть 1. Теория и примеры решения задач Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность. Как отмечалось в задании «Газовые

Подробнее

В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина этому человек и

В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина этому человек и РОЛЬ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ В ФОРМИРОВАНИИ ПОГОДЫ И КЛИМАТА Фомина Н.Ю., Андреева Н.В. БГТУ имени В.Г. Шухова Белгород, Россия THE ROLE OF THE EARTH'S ATMOSPHERE IN WEATHER AND CLIMATE Fomina N.Yu, Andreeva N.V.

Подробнее

Р У К О В О Д Я Щ И Й Д О К У М Е Н Т ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

Р У К О В О Д Я Щ И Й Д О К У М Е Н Т ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) Р У К О В О Д Я Щ И Й Д О К У М Е Н Т РД 52.11.850 2016

Подробнее

Оптический датчик радиозонда для измерения параметров облачности.

Оптический датчик радиозонда для измерения параметров облачности. Оптический датчик радиозонда для измерения параметров облачности. А.В. Кочин Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета, 141700,Московская область, г. Долгопрудный, ул. Первомайская 3, E-mail:amarl@mail.ru

Подробнее

Пыльная буря 9 мая 2016 г. в г. Иркутске. Латышева Инна Валентиновна, доцент кафедры метеорологии и охраны атмосферы географического факультета ИГУ

Пыльная буря 9 мая 2016 г. в г. Иркутске. Латышева Инна Валентиновна, доцент кафедры метеорологии и охраны атмосферы географического факультета ИГУ Пыльная буря 9 мая 2016 г. в г. Иркутске. Латышева Инна Валентиновна, доцент кафедры метеорологии и охраны атмосферы географического факультета ИГУ Согласно метеорологической терминологии под пыльной бурей

Подробнее

10. Что такое сублимация водяного пара, и при каких температурах она происходит в воздухе?

10. Что такое сублимация водяного пара, и при каких температурах она происходит в воздухе? Вопросы к зачету по дисциплинам: 1. Лесная метеорология, 2. Метеорология с основами климатологии 3. Метеорология и климатология 1. Приведите схему ОЦА у земной поверхности. 2. Какие экологические факторы

Подробнее

64 GEOGRAPHICAL SCIENCES

64 GEOGRAPHICAL SCIENCES 64 GEOGRAPHICAL SCIENCES УДК 910 ÈÒÎÃÈ ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÎÂ ÏÎ ÓÂÅËÈ ÅÍÈÞ ÄÎÆÄß È ÑÍÅÃÀ ÈÇ ÎÁËÀÊÎÂ ÐÀÇËÈ ÍÛÕ ÒÈÏÎÂ 1 Диневич Л.А., 1 Диневич С.Е., 2 Лесков Б.Н. 1 Тель-Авивского университета, Тель-Авив, e-mail:

Подробнее

МЕТЕОРОЛОГИЯ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 2

МЕТЕОРОЛОГИЯ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 2 Н.Ш. Гусейнов ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ N.Sh. Guseinov VERTICAL DISTRIBUTION OF METEOROLOGICAL PARAMETERS IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER По

Подробнее

5. Мезомасштабный циклогенез над Карским морем

5. Мезомасштабный циклогенез над Карским морем 5. Мезомасштабный циклогенез над Карским морем ПМЦ над Карским морем были обнаружены сравнительно недавно [5, 27]. Невысокое качество имеющихся материалов и частые пропуски спутниковых наблюдений облачности

Подробнее

2.Механизмы мезомасштабного циклогенеза и условия развития

2.Механизмы мезомасштабного циклогенеза и условия развития 2.Механизмы мезомасштабного циклогенеза и условия развития Ниже приводится краткое описание основных механизмов образования циклонических мезовихрей в холодном воздухе над морской поверхностью, изложенных

Подробнее

Исследовательская работа «Интересное явление природы - облака»

Исследовательская работа «Интересное явление природы - облака» Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Мало Томская СОШ Исследовательская работа «Интересное явление природы - облака» Автор: Баркинхоева Динара ученица 5 класса Научный руководитель: учитель

Подробнее

А.А. Поморцева 4 ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ОТРАЖАЕМОСТИ КУЧЕВО-ДОЖДЕВОЙ ОБЛАЧНОСТИ НА УРАЛЕ

А.А. Поморцева 4 ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ОТРАЖАЕМОСТИ КУЧЕВО-ДОЖДЕВОЙ ОБЛАЧНОСТИ НА УРАЛЕ МЕТЕОРОЛОГИЯ УДК 551.501.8 А.А. Поморцева 4 ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ОТРАЖАЕМОСТИ КУЧЕВО-ДОЖДЕВОЙ ОБЛАЧНОСТИ НА УРАЛЕ В статье приводятся результаты исследования пространственной структуры

Подробнее

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ р д 52.11.678 2006 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Проведение работ по искусственному подавлению развития

Подробнее

Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО" Кафедра метеорологии

Подробнее

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Учебная дисциплина «Радиолокационная метеорология» представляет собой часть курса метеорологии и посвящена изучению методов радиолокационного определения структуры облачности, измерения

Подробнее

Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА.

Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА. Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА. Приборы и принадлежности: психрометр, психрометрические таблицы, барометр-анероид, дистиллированная вода. Для определения влажности воздуха Определение

Подробнее

18. ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА У ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

18. ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА У ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ 18. Прогноз температуры и влажности воздуха у поверхности Земли 1 18. ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА У ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Локальные изменения температуры T t в некоторой точке определяются индивидуальными

Подробнее

Нормативные документы, разработанные ЦАО (по состоянию на 1 ноября 2007 года)

Нормативные документы, разработанные ЦАО (по состоянию на 1 ноября 2007 года) Нормативные документы, разработанные ЦАО (по состоянию на 1 ноября 2007 года) 1. АЭРОЛОГИЧЕСКОЕ И РАКЕТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ Обозначение, наименование 1 2 3 4 1 РД 52.11.650-2003 Наставление гидрометеорологическим

Подробнее

Особенности поведения радиояркостных температур SSM/I в субполярных регионах России в течение зимы 2006/2007 гг.

Особенности поведения радиояркостных температур SSM/I в субполярных регионах России в течение зимы 2006/2007 гг. Особенности поведения радиояркостных температур SSM/I в субполярных регионах России в течение зимы 2006/2007 гг. О.А. Носенко 1, Г.А. Носенко 2 1 НТЦ КМЗ, ФГУП "РНИИ КП" 117997 Москва, ул. Профсоюзная,

Подробнее

Первая глава посвящена анализу исследований основных термо- и электродинамических процессов, происходящих в кучево-дождевых облаках.

Первая глава посвящена анализу исследований основных термо- и электродинамических процессов, происходящих в кучево-дождевых облаках. Отзыв официального оппонента на диссертационную работу Губенко Инны Михайловны «Исследование физических процессов в конвективных облаках во время гроз на основе численного моделирования», представленную

Подробнее

Распознавание кучево-дождевых облаков, вызывающих опасные явления по спутниковым данным AVHRR/ NOAA

Распознавание кучево-дождевых облаков, вызывающих опасные явления по спутниковым данным AVHRR/ NOAA Распознавание кучево-дождевых облаков, вызывающих опасные явления по спутниковым данным AVHRR/ NOAA Е.Ф. Чичкова, А.С. Никандрова (Филиал Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова Научно- исследовательский

Подробнее

Применение метода микроволновой радиометрии для контроля «влажной» компоненты задержки радиосигналов в тропосфере

Применение метода микроволновой радиометрии для контроля «влажной» компоненты задержки радиосигналов в тропосфере Применение метода микроволновой радиометрии для контроля «влажной» компоненты задержки радиосигналов в тропосфере Д. М. Караваев, Г. Г. Щукин ВКА имени А. Ф. Можайского;197082, С-Петербург, Ждановская,

Подробнее

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКАХ

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКАХ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 4 Ю.Г. Осипов, И.А. Колесников, А.А. Манаев НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКАХ G.G. Osipov, I.A. Kolesnikov, A.A. Manaev SOME RESULS

Подробнее

Модуль Главными потребителями метеорологической информации является. (2б) 5. В состав атмосферного воздуха у земной поверхности входит (5б).

Модуль Главными потребителями метеорологической информации является. (2б) 5. В состав атмосферного воздуха у земной поверхности входит (5б). Модуль 1 Вариант 1. ФИО Группа Дата 1. Метеорология наука о процессах, происходящих в земной атмосфере (3б) А) химических Б) физических В) климатических 2. Климатология наука о климате, т.е. совокупности

Подробнее

ОБЗОР ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ УСЛОВИЙ В ЧУЙСКОЙ ДОЛИНЕ ЛЕТОМ 2003 г.

ОБЗОР ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ УСЛОВИЙ В ЧУЙСКОЙ ДОЛИНЕ ЛЕТОМ 2003 г. ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УДК [551 1.515. 582] (575.2) (4) ОБЗОР ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ УСЛОВИЙ В ЧУЙСКОЙ ДОЛИНЕ ЛЕТОМ 3 г. И.А. Павлова канд. геогр. наук The analysis of weather

Подробнее

Просветление тумана в электрическом поле

Просветление тумана в электрическом поле Просветление тумана в электрическом поле Антон Латкин, Константин Турицын Руководитель: П.В. Воробьев 8 класс школы колледжа 130, г. Новосибирск 1996 Аннотация В настоящей работе представлены результаты

Подробнее

М.В. Кустов, к.т.н., зам. нач. каф., НУГЗУ

М.В. Кустов, к.т.н., зам. нач. каф., НУГЗУ Проблеми надзвичайних ситуацй http://nuczu.edu.ua УДК 614.841; 551.515, к.т.н., зам. нач. каф., НУГЗУ ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В АТМОСФЕРЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ОСАДКОВ НАД ЗОНОЙ ВЫБРОСА ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ (представлено

Подробнее

Влияние облачности на излучательную способность атмосферы в диапазоне частот 22-38ггц. А.Г.Горелик, Т.А.Точилкина

Влияние облачности на излучательную способность атмосферы в диапазоне частот 22-38ггц. А.Г.Горелик, Т.А.Точилкина Влияние облачности на излучательную способность атмосферы в диапазоне частот 22-38ггц А.Г.Горелик, Т.А.Точилкина ФГБУ «Центральная аэрологическая обсерватория» 141700, Московская обл., г. Долгопрудный,

Подробнее

АВТОРЕФЕРАТ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ. Студента 6 курса 621 группы специальности Метеорология географического факультета Малкова Алексея Викторовича

АВТОРЕФЕРАТ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ. Студента 6 курса 621 группы специальности Метеорология географического факультета Малкова Алексея Викторовича Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Подробнее

В.П. Назаров, М.В. Филипчик, Н.Н. Старков ТУШЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ПОЛЯРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРЕ ТВЕРДОЙ ДВУОКИСЬЮ УГЛЕРОДА

В.П. Назаров, М.В. Филипчик, Н.Н. Старков ТУШЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ПОЛЯРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРЕ ТВЕРДОЙ ДВУОКИСЬЮ УГЛЕРОДА В.П. Назаров, М.В. Филипчик, Н.Н. Старков ТУШЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ПОЛЯРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРЕ ТВЕРДОЙ ДВУОКИСЬЮ УГЛЕРОДА В настоящее время резервуары средних и больших объемов с нефтепродуктами и

Подробнее

УДК 634.8: : Т. С. Жигайло ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ 2012 И 2013 ГОДОВ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ ВИНОГРАДА СОРТОВ ЗАГРЕЙ И РУБИН ТАИРОВСКИЙ

УДК 634.8: : Т. С. Жигайло ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ 2012 И 2013 ГОДОВ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ ВИНОГРАДА СОРТОВ ЗАГРЕЙ И РУБИН ТАИРОВСКИЙ УДК 634.8:541.144.7:577.49 Т. С. Жигайло Национальный научный центр «Институт виноградарства и виноделия им. В. Е. Таирова», Украина ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ 212 И 213 ГОДОВ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ ВИНОГРАДА

Подробнее

.1. Бризы Общая характеристика явления.

.1. Бризы Общая характеристика явления. .1. Бризы Общая характеристика явления. Бризом называется местная циркуляция, возникающая в прибрежной зоне вследствие температурных различий между поверхностью воды и суши. В дневные часы, когда температура

Подробнее

ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»,

ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», УДК 55.59.66 ИССЛЕДОВАНИЕ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОНВЕКТИВНЫЕ ОБЛАКА ЛЬДООБРАЗУЮЩИМИ РЕАГЕНТАМИ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ ОСАДКОВ А.А. Бычков В.А. Шаповалов Агентство

Подробнее

Возможности радиолокационного обнаружения ураганов метеорологическими радиолокаторами

Возможности радиолокационного обнаружения ураганов метеорологическими радиолокаторами Возможности радиолокационного обнаружения ураганов метеорологическими радиолокаторами С.И. Заичко А.И.Князь Одесская национальная морская академия 6509 г.одесса ул. Дидрихсона8 e- mai:info@onma.ed.a Рассмотрено

Подробнее

Тестовая работа по теме: «Атмосфера» Базовый уровень

Тестовая работа по теме: «Атмосфера» Базовый уровень Тестовая работа по теме: «Атмосфера» Базовый уровень 1. Самый нижний слой атмосферы 1) мезосфера 2) стратосфера 3) мегасфера 4) тропосфера 5) ионосфера 2. Атмосферное давление измеряется 1) барометром

Подробнее

К ВОПРОСУ ОБ ОБНАРУЖЕНИИ ОБЛАЧНОСТИ И ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАТОРА

К ВОПРОСУ ОБ ОБНАРУЖЕНИИ ОБЛАЧНОСТИ И ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАТОРА УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 39 Л.И. Дивинский, А.Д. Кузнецов, О.С. Сероухова, А.С. Солонин, Т.Е. Симакина К ВОПРОСУ ОБ ОБНАРУЖЕНИИ ОБЛАЧНОСТИ И ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАТОРА L.I.

Подробнее

Радиометрический комплекс миллиметрового диапазона для мониторинга термодинамических характеристик тропосферы

Радиометрический комплекс миллиметрового диапазона для мониторинга термодинамических характеристик тропосферы Радиометрический комплекс миллиметрового диапазона для мониторинга термодинамических характеристик тропосферы Е.Н. Кадыгров, Ю.В.Агапов, Е.А. Миллер, В.В. Некрасов, А.В. Троицкий, А.Н. Шапошников ФГБУ

Подробнее

Т.Л. Касаджик, аспирант, Одесский государственный экологический университет

Т.Л. Касаджик, аспирант, Одесский государственный экологический университет УДК 551.571.7 Т.Л. Касаджик, аспирант, Одесский государственный экологический университет СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ТРОПОСФЕРЕ ПРИЧЕРНОМОРСКОГО РЕГИОНА В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА Представлены результаты

Подробнее

УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В МЕГАПОЛИСЕ И ЕГО СВЯЗЬ С КЛИМАТИЧЕСКИМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ

УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В МЕГАПОЛИСЕ И ЕГО СВЯЗЬ С КЛИМАТИЧЕСКИМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ В.Н. Боков, В.Н. Воробьев, И.А. Серебрицкий УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В МЕГАПОЛИСЕ И ЕГО СВЯЗЬ С КЛИМАТИЧЕСКИМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ V.N. Bokov, V.N. Vorobyev, I.A. Serebritskyi THE LEVEL OF AIR

Подробнее

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ. ФИЗИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ Рабочая программа

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ. ФИЗИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ Рабочая программа МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Декан геолого-географического факультета Г.М. Татьянин 2011 г. ФИЗИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ Рабочая программа

Подробнее

Лекция 3. Механизмы удаления аэрозолей из атмосферы.

Лекция 3. Механизмы удаления аэрозолей из атмосферы. Лекция 3. Механизмы удаления аэрозолей из атмосферы. После появления частиц аэрозоля из первичных или вторичных источников на них начинают воздействовать различные процессы происходящие в атмосфере, такие

Подробнее

Прогноз развития зон активной конвекции с особо опасными явлениями на основе региональной модели Гидрометцентра России

Прогноз развития зон активной конвекции с особо опасными явлениями на основе региональной модели Гидрометцентра России Прогноз развития зон активной конвекции с особо опасными явлениями на основе региональной модели Гидрометцентра России А.А. Алексеева, В.М. Лосев, Б.Е. Песков, Е.В. Васильев, А.Е. Никифорова Гидрометцентр

Подробнее

УДК НЕМОНОТОННЫЙ ХАРАКТЕР ИСПАРЕРИЯ ЛЕЖАЩЕЙ КАПЛИ

УДК НЕМОНОТОННЫЙ ХАРАКТЕР ИСПАРЕРИЯ ЛЕЖАЩЕЙ КАПЛИ УДК 532.6 + 531.715.1 НЕМОНОТОННЫЙ ХАРАКТЕР ИСПАРЕРИЯ ЛЕЖАЩЕЙ КАПЛИ В.Л. Ушаков, Г.П. Пызин По результатам проведенных экспериментов с испаряющейся каплей воды установлено, что скорость ее испарения носит

Подробнее

II Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2018»

II Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2018» II Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - «Муром 2018» Измерение временных флуктуаций яркостной температуры

Подробнее

Изменчивость составляющих радиационного баланса Земли в Арктическом регионе

Изменчивость составляющих радиационного баланса Земли в Арктическом регионе МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Подробнее

Разработка численной модели радиационных свойств облаков

Разработка численной модели радиационных свойств облаков РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Разработка численной модели радиационных свойств облаков Выполнил: Научный руководитель: ст. гр. ММ-2 Нгуен Тонг Там канд. физ.-мат. наук,

Подробнее

CONDITIONS OF FORMATION OF HEAVY PRECIPITATION EVENTS IN ARMENIA RELATED TO PASSAGES OF COLD ATMOSPHERIC FRONTS FROM NORTH-WEST

CONDITIONS OF FORMATION OF HEAVY PRECIPITATION EVENTS IN ARMENIA RELATED TO PASSAGES OF COLD ATMOSPHERIC FRONTS FROM NORTH-WEST УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ 19 А.М. Геворгян СИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОБИЛЬНЫХ ОСАДКОВ В АРМЕНИИ ПРИ ПРОХОЖДЕНИЯХ ХОЛОДНЫХ ФРОНТОВ С СЕВЕРО-ЗАПАДА A.M. Gevorgyan SYNOPTIC CONDITIONS OF FORMATION OF HEAVY PRECIPITATION

Подробнее

Пример наблюдения мезоциклона метеорологическим многопараметрическим радиолокатором

Пример наблюдения мезоциклона метеорологическим многопараметрическим радиолокатором Пример наблюдения мезоциклона метеорологическим многопараметрическим радиолокатором В.Ю.Жуков, Г.Г.Щукин Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского, 197198, Санкт-Петербург, Ждановская, 13, e-mail:

Подробнее

Разработка метеорологического пассивно-активного радиолокатора на базе ДМРЛ-С

Разработка метеорологического пассивно-активного радиолокатора на базе ДМРЛ-С Разработка метеорологического пассивно-активного радиолокатора на базе ДМРЛ-С Г.Г.Щукин 1, И.А.Вылегжанин 2, Д.М.Караваев 1, В.Ю.Жуков 1 1 Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского 197198, Санкт-Петербург,

Подробнее

Физика 8 класс ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

Физика 8 класс ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА Физика 8 класс ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА Вода занимает около 70,8 % земного шара. Живые организмы содержат от 50 до 99,7 % воды. В атмосфере находится около 13-15 тыс. куб. км воды. Вода в атмосфере капли водяной

Подробнее

Статистическое исследование верхней границы радиоэха облачности Н.А. Калинин, А.А. Смирнова, И.С. Заморин

Статистическое исследование верхней границы радиоэха облачности Н.А. Калинин, А.А. Смирнова, И.С. Заморин Статистическое исследование верхней границы радиоэха облачности Н.А. Калинин, А.А. Смирнова, И.С. Заморин В радиометеорологии высота верхней границы облачности, за которую принимается высота радиоэха,

Подробнее

ВОЛНЫ ТЕПЛА В БЕЛАРУСИ

ВОЛНЫ ТЕПЛА В БЕЛАРУСИ ВОЛНЫ ТЕПЛА В БЕЛАРУСИ Н.Н. Клевец, В.И. Мельник, Е.В. Комаровская Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды, Республика Беларусь, г.

Подробнее

Вестник КРСУ Том

Вестник КРСУ Том УДК 55.5 ПОГОДНЫЕ УСЛОВИЯ В ЧУЙСКОЙ ДОЛИНЕ ОСЕНЬЮ г. Е.В. Рябикина, А.О. Подрезов, И.А. Павлова WEATHER CONDITIONS IN CHUI VALLEY IN AUTUMN E.V. Ryabikina, A.O. Podrezov, I.A. Pavlova Метеорологическая

Подробнее

Секция 3: Техническое обеспечение инновационных технологий производства продукции растениеводства

Секция 3: Техническое обеспечение инновационных технологий производства продукции растениеводства УДК: 655.753.4 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОБВОДНЕНИЕ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА А.П. Ляхов, к.т.н., доцент, C.И. Оскирко, к.т.н., доцент, Г.И. Кошля УО «Белорусский государственный аграрный технический

Подробнее

В.Ф. Мартазинова, С.В. Савчук, И.В. Витвицкая

В.Ф. Мартазинова, С.В. Савчук, И.В. Витвицкая ФІЗИКА АТМОСФЕРИ, МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ УДК 551.583 В.Ф. Мартазинова, С.В. Савчук, И.В. Витвицкая СОСТОЯНИЕ СРЕДНЕЙ СУТОЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И СУТОЧНОГО КОЛИЧЕСТВА ОСАДКОВ ЗИМНЕГО СЕЗОНА В ХХ

Подробнее

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ДИАГНОСТИКИ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ДИАГНОСТИКИ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ДИАГНОСТИКИ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ Пермяков М. С., Поталова Е.Ю., Маликова Н.П. ТОИ ДВО РАН E-mail: permyakov@poi.dvo.ru Ключевые вопросы применения

Подробнее

Лекция 9. Водяной пар и вода в атмосфере Влагооборот

Лекция 9. Водяной пар и вода в атмосфере Влагооборот Лекция 9 Водяной пар и вода в атмосфере Влагооборот Влагооборот постоянный обмен влагой между атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, переноса водяного пара в атмосфере, конденсации

Подробнее

Исследование характеристик двухдиапазонной СВЧ радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов

Исследование характеристик двухдиапазонной СВЧ радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов Исследование характеристик двухдиапазонной СВЧ радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов Е.В.Федосеева, И.Н.Ростокин, Федосеев А.А. Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный

Подробнее

Романенко А.И. Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского, к.т.н.

Романенко А.И. Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского, к.т.н. Романенко А.И. Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского, к.т.н. ОСОБЕННОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ, РАЗВИТИЯ И ВЛИЯНИЯ ПОЛЯ ОБЛАЧНОСТИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Подробнее

Многолетняя изменчивость влажности воздуха на станции Саратов Юго-Восток в весенне-летний период АВТОРЕФЕРАТ БАКАЛАВРСКОЙ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ

Многолетняя изменчивость влажности воздуха на станции Саратов Юго-Восток в весенне-летний период АВТОРЕФЕРАТ БАКАЛАВРСКОЙ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Подробнее

Лесная метеорология. Лекция 4: ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ и земной поверхности

Лесная метеорология. Лекция 4: ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ и земной поверхности Лесная метеорология. Лекция 4: ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ и земной поверхности тепловой режим земной поверхности и атмосферы: Распределение температуры воздуха в атмосфере и на поверхности суши и его непрерывные

Подробнее

ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Часть III. Опасные явления погоды конвективного происхождения

ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Часть III. Опасные явления погоды конвективного происхождения ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Часть III Опасные

Подробнее

Детектирование зон обледенения в облачном слое по информации с полярно-орбитального МИСЗ серии NOAA в умеренных широтах в светлое время суток

Детектирование зон обледенения в облачном слое по информации с полярно-орбитального МИСЗ серии NOAA в умеренных широтах в светлое время суток Детектирование зон обледенения в облачном слое по информации с полярно-орбитального МИСЗ серии NOAA в умеренных широтах в светлое время суток Е.В. Волкова ГУ «Научно-исследовательский центр космической

Подробнее

Воздушные факторы и погода в зоне их перемещения. Холодович Ю. А. Белорусский национальный технический университет. Введение

Воздушные факторы и погода в зоне их перемещения. Холодович Ю. А. Белорусский национальный технический университет. Введение Воздушные факторы и погода в зоне их перемещения. Холодович Ю. А. Белорусский национальный технический университет Введение Наблюдения за погодой получили достаточно широкое распространение во второй половине

Подробнее

Глава 1: Круговорот воды. Ответить однозначно сложно, хотя ученые подсчитали, что вплоть до 8 миллионов раз.

Глава 1: Круговорот воды. Ответить однозначно сложно, хотя ученые подсчитали, что вплоть до 8 миллионов раз. Вода НАУКИ О ЗЕМЛЕ ПОГОДА ВОДА Глава 1: Круговорот воды Что такое круговорот воды? Круговорот воды означает, что капля воды циркулирует в непрерывном круговороте между океаном, атмосферой и землей. Вода

Подробнее

Струнин Александр Михайлович

Струнин Александр Михайлович На правах рукописи Струнин Александр Михайлович СПЕКТРАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ В КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКАХ ТРОПИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ САМОЛЕТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Специальность 25.00.29

Подробнее

Преобразование годовой статистики в статистику наихудшего месяца

Преобразование годовой статистики в статистику наихудшего месяца Рекомендация МСЭ-R P.84-5 (09/206) Преобразование годовой статистики в статистику наихудшего месяца Серия P Распространение радиоволн ii Рек. МСЭ-R P.84-5 Предисловие Роль Сектора радиосвязи заключается

Подробнее