Введение к работе
Актуальность проблемы Интерес к проблеме града обусловлен не только тем, что это загадочное явление природы, а и значительным материальным ущербом, наносимым градобитиями сельскохозяйственным растениям, животным, постройкам. Ежегодный ущерб только в СЕ\, по сведениям ВМО, превышает 2 миллиарда долларов. В нашей стране .наряду с общим успехом противогрэдовых работ на защищаемой территории, отмечаются градобития,особенно в случае прохождения мощных градовых процессов. Вероятно, это связано с тем, что до сих пор многое о граде основано на интуиции и умозрительных заключениях, не подтвержденных в должной степени измерениями и расчетами. Недостаточность наших познаний о процессах градообразованпя связана с тем, что проведение прямых измерений внутри градовых облаков сопряжено с опасностью для жизни исследователя, большими техническими и организационными трудностями. В этой связи, получили развитие методы, в которых с целью восстановления картины процессор градообразования приходится решать обратную задачу, заключающуюся в расшифровке внутреннего строения выпавших градин с использованием лабораторного моделирования. При этом основнім источником информации о микрофизических характеристиках являются тонкие срезы градин. Вопрос о том, каким образом образуются зародыши гредз, остается центральным в изучении механизма его образования, ст которого зависят применяемые способы воздействия. Задача исследований заключается в выявлении того, какой из известных механизмов осадкообразования - через ледяную фазу или путм слияния облачных капель - является ответственным за формирование гародьией града. Кроне того отсутствие градомэрных устройств и специальных сетевых измерений града оставляет вопрос об оценке эффективности воздействия в определенней степени открытым.
Работа выполнена в Высокогорном геофизическом института в
соответствии с планам' НИР и ОКР Госкомгидроко',а СССР и ПШТ в
рамках следующих тем: .'
ІУ.276.П. Программа ГКНТ 0.74.02.07.Н6; ІУ.2-.03. Иронична ГКНТ 0.74.10.01.02.Н2; ІУ.256.І0. Прогрэм-а ГККТ П.74.10.01. 02.Н2; У.38г.Г7(І9Є4 г.); ІУ.25.ІЗ: Ш.22.03. Программ,-, ПС1ГГ НТИ 0.74.0Э.04.04.03Н; ІІІ. 18.01.02.02. Программа ГККТ НТИ 0.74.09.04. OI.HIa; 18.02.02. Программа ГКНТ НТП 0.74.0Э.О';.01.Н2. Тсмч 4 двухстороннего софрудничестга о НРБ П1.02.вУ.
По теме диссертации автором опубликовано 77 работ,.в том числе защищено II изобретений.
Цель работы. Целью работы является экспериментальное исследование механизма образования града на основании комплексного изучения его природы и физических характеристик при зарождении, росте и выпадении.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
разработана аппаратура и методика лабораторного моделирования за-' рождения, роста и выпадения града, аппаратура и методика наземных измерений града, аппаратура самолетных измерений микрофизических характеристик конвективных облаков, оценены погрешности измерений;
проведено окспериментальное и численное моделирование зарождения, роста и выпадения града, исследована физическая природа градовых частиц и условия их образования;
изучены спектральные и энергетические характеристики градобитий при естественном развитии и активном воздействии, оценено влияние активного воздействия на ражим градовых осадков.
Метод исследования. Для решения поставленных задач были применены следующие методы исследований:
метод конструирования научной аппаратуры для лабораторного и натурного- исследования;
метод лабораторного моделирования облачных условий формирования физических характеристик града;
метод тонких срезов (шлифов) для исследования физической природы градин;
масс-спектрометрический метод определения элементного и изотопного состава града;
электронно-микроскопический метод исследования состава и аэрозольной структуры градовых частиц;
метод оптимальной интерполяции для объективного анализа полей градовых осадков;
метод численного моделирования траекторий движения и роста градин в облаках;
самолетные исследования начальной стадии градовых облаков;
статистические методы для "восстановления" микроструктуры града в облаке и обработки данных измерении;
*- метод сетевых измерений при использовании специальной градомер-ной сети.
Экспериментальной основой работы послужили исследования более 700 спектров размеров града, более 6.10 тонких срезов градин,
более 300 мощнокучевых облаков и более 100 градовых процессов, в течение 20 лет'с 1971 по 1990 годы. Решение поставленной задачи позволило получить совокупность научных результатов, содержащих новые достижения в развитии перспективного направления в физике облаков, имеющих народнохозяйственную направленность.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается тем, что разработанные и использованные в работе средства измерения и индикации поверены, отградуированы и откалиброваны при помощи эталонных и стандартных средств измерений в соответствии с существующими положениями. Применены апробированные физические, математические 'и статистические методы исследований, обработки, анализа к обобщения данных. Достоверность результатов подтверждена сопоставлением значений физических параметров, полученных различными методами.
Научная новизна работы состоит в том, что разработаны новые представления о механизме образования града, которые основаны на комплексном, совокупном исследовании физических характеристик и в состоянии объяснить имеющиеся сведения о градовых частицах.Суть представлений состоит в том, что в процессах градообразования участвуют оба известных механизма осадкообразования (через ледяную фазу и теплый дождь). Причем, степень участия каждого из них обусловлена конкретными параметрами градовых облаков.
В работе впервые получены следующие результаты:'
разработаны способы и устройства для исследования вопросов тепломассообмена при охлаждении, замерзании, росте, испарении и таянии частиц гидрометеоров, находящихся в свободном парении, защищен!! несколькими авторскими свидетельствами;
разработан автоматический градосборник, защищен авторским свидетельством;
разработан сетевой нэземный индикатор характеристик града -СІС1Г-градорегистратор, защищен авторским свидетельством;
разработана аппаратура для исследования образования ледяных кристаллов, защищена авторским свидетачьством;
исследованы льдообразукглие свойства я^розолыгпс осадков градин, пузырьковая, кристаллическая и аэрозольная структура, .элемент;:,:' и изотопный состав града;
разработана бортолэя .тля ара туга -на самолет -ме,гео.'!,'.логмтот"'л -!."-^i0 для исследовяшя злалюстных харахтрр:-ст/к wwrtrn:::' r,1.T!".r. --, защищена авторским от'.",етг>-ьс"'мм;
получена 'Ьооуула.для "ол'-'ого Г'3'.'ЄГ'-';',г'і' ;;- V'~l"f "'-.;
-б -
получена формула, связывающая среднеарифметический диаметр воздушных включений в замерзших каплях с тешіературой их замерзания;
получены обобщающие формулы для тепломассообмена при зарождении, росте и таянии града;
установлена природа зародышей града, их пространственно-временное распределение при выпадении града и температурные уровни их формирования;
создана крупнейшая в практике подобных исследований градомерная сеть, которая позволила получить уникальные данные о микрофизических, спектральных и энергетических характеристиках града при естественном развитии процессов и искусственном воздействии;
с помощью разработанного статистического метода количественно обоснован Еыбор аналитических выражений для функции распределения градин по размерам в виде логнормального закона, "восстановлены" микроструктурные характеристики града в облаках с учетом таяния;
на основании объективного анализа полей кинетической энергии, массы, концентрации и максимального диаметра града показаны определенные соответствия между этими характеристиками;
- выявлена зависимость интегральной величины кинетической энергии града, выпадающего на единицу площади от глобальной площади супер-ячейковых градовых процессов;
установлена зависимость повреждаемости сельскохозяйственных культур от кинетической энергии града, выпадающего на единицу площади;
выявлена роль известных механизмов осадкообразования в механизме образования зародышей града различных типов;
установлен диапазон изменения основных термодинамических параметров атмосферы, определяющих оптимальные условия формирования заро-дыщей града рапличных типов, различных механизмов градообразозания.
Практическая ценность работы. В работе представлен комплекс лабораторных и натурных исследований физических характеристик гра-дг. Основной ценность» работы является совокупное исследование условий зарождения, роста и таяния града в облаках с помощью самолетов-лабораторий, лабораторного моделирования и анализа и специальной градомерной сети, оборудованной приборами, разработанными автором.
Рззуяьтаты, полученные в работе, могут послужить физической основой для построения полной теории градообразования.. Изложенные п діссег)т?ции прбдстрвлония о механизме образования града обуславливают новые подходы к репениы многих задач активного воздействия hs грядовые процэссн. Ряд результатов, полученных ь работе, а так-V-* .".л; ' рлгур.ч внедрены 2 тракт"чу научны;: исследований многих нвуч-
них учрездешй, занимающихся проблемой града в стране н за рубежом; результаты исследований физической природы зародьгаей града, льдо-образущих свойств аэрозольных осадков и изотопного состава градин, данные о спектральных и энергетических характеристиках, зависимости повреждаемости сельскохозяйственных растения от физических характеристик града использовались в рамках ме**<дународного научно-технического сотрудничества в научных исследованиях в Институте гидрометеорологии Болгарской АН и в Метеорологическом институте Венгрии; пространственно-временные распределения градовых осадков и их физические характеристики, а также основные закономерности зарождения и роста града внедрены в научных исследованиях в Институте геофизики АН республики Грузия; способ исследования тепломассообмена при образовании градин в газовых потоках и устройство для его осуществления, устройство для исследования фазовых превращений капель жидкости в газовом потоке, а таюче обобщающие зависимости, позволяющие определить время -полного затвердевания капель воды и коэффициенты тепло- и массоотдачи затвердев'лих частиц, получили применение в научных исследованиях а технологическом институте холодильной промышленности (г.Санкт-Петербург); результати исследований по созданию автоматических градосборников использованы в ГСКВ ТОП (г.Санкт-Петербург) при проведении ОКР "Крупа-К" в разработке и изготовлении опытных образцов автоматических градосборников с охлаждением; результаты исследований по создании сетевого' наземного индикатора характеристик града использованы при изготоалении опытной партии сетевых наземных индикаторов града-СНИГ-градорегистратор з ЭЛ.М ІТИ (г.Санкт-Петербург); автоматические градосборники и градо-регистраторы внедрены на градомерной сети комплексного градового эксперимента ВГИ и ЗС Северного Кавказа; бортовая аппаратура самолета метеолаборатории "ЯК-ЛО*- и результаты самолетнитх исследований микроструктуры моЕ(Нокучевых облаков внедрены з научных исследованиях CJJ ВГИ при проведении работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае.
