Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ противоградовых операций и методов оценки их эффективности 11
1.1. Методы активных воздействий (АВ) на градовые процессы 11
1.2. Анализ противоградовых операций 26
1.3. Анализ существующих методов оценки эффективности ПГЗ 29
1.4. Выводы 40
2. Радиолокационный метод оценки физической эффективности ав на градовые облака 42
2.1. Категории объектов воздействия 43
2.2. Особенности трансформации засеянных и незасеянных ОВ 44
2.3. Радиолокационный метод оценки физической эффективности АВ на градовые облака 58
2.4. Радиолокационный метод оценки ущерба от града 64
2.4. Выводы 68
3. Статистический метод оценки физической эффективности противогр адовой защиты (ПГЗ) 70
3.1. Показатели физической эффективности ПГЗ 70
3.2. Методика оценки физической эффективности ПГЗ 73
3.3. Методика оценки градоопасности года и региона 79
3.4. Методика оценки статистической значимости эффекта ПГЗ 83
3.5. Выводы 90
4. Метод оценки экономической эффективности ПГЗ 91
4.1. Показатели экономической эффективности ПГЗ 91
4.2. Методика оценки экономической эффективности 92
4.3. Методика сбора и систематизации экспериментального материала 94
4.4. Выводы 100
5. Статистическая оценка эффективности российской ракетной технологии пгз в разных регионах мира 101
5.1. Краткая агроклиматическая характеристика регионов ПГЗ 101
5.2. Исследование климатологии града в различных регионах ПГЗ 109
5.3. Исследование природной изменчивости потерь от града 121
5.4. Исследование модифицированной ПГЗ изменчивости потерь 128
5.5. Статистическая оценка эффективности ПГЗ в разных регионах 134
5.6. Оценка статистической значимости сокращения потерь от града 153
5.7. Выводы 163
Заключение 166
Литература
- Анализ противоградовых операций
- Радиолокационный метод оценки физической эффективности АВ на градовые облака
- Методика оценки градоопасности года и региона
- Методика сбора и систематизации экспериментального материала
Анализ противоградовых операций
Научно-обоснованные методы активного воздействия на градовые процессы начали разрабатываться около 40 лет тому назад. За этот период апробировано много различных подходов, отличающихся между собой концептуальными моделями градовых облаков, способами их обнаружения и распознавания, физическими принципами воздействия, а также способами и техническими средствами реализации активного воздействия.
Для защиты от града издавна применяются укрытия из металлических или капроновых сеток, но такая защита вследствие дороговизны и экологических проблем применяется на площадях, измеряемых единицами и десятками га.
Для защиты больших площадей применяются технологии, предусматривающие модификацию процесса градообразования за счет засева градовых облаков кристаллизующими реагентами.
Основными способами засева градовых облаков являются: - наземно-генераторный, применяется во Франции, Италии, Испании, Швейцарии, Венгрии, Канаде, Бразилии и др.; - авиационный - в США, Австрии, Германии, Канаде, а ранее в Кении, ЮАР и Греции; - артиллерийский - в 18 проектах Китая и в Монголии, а ранее в России, Азербайджане, Армении, Грузии, Узбекистане и Таджикистане; - ракетный - в 3 проектах России, в Молдове, Украине, Узбекистане, Аргентине, Болгарии, Хорватии, Словении, Италии, Сербии, Македонии, а ранее в Грузии, Азербайджане, Армении, Таджикистане, Венгрии, Бразилии; - авиационный совместно с наземными генераторами - в США, Германии; - ракетно-артиллерийский - в Китае, а ранее в России, Узбекистане Таджикистане, Азербайджане, Армении и Грузии. Эти технологии имели и продолжают иметь различные модификации, базирующиеся на разных физических принципах, в разной степени реализуемых в организационно-техническом плане.
Оперативные проекты подавления града, осуществляемые в разных странах, серьезно отличаются друг от друга: - по научным концепциям засева; - технологии засева и реализуемости концепций засева; - способам обнаружения объектов засева и локализации объема засева; \ - техническим средствам засева; - расходу реагента; - методам оценки эффективности; - финансовым затратам на реализацию засева.
В некоторых странах с годами меняются площади защиты и способы засева. Так, например, в 7 республиках бывшего СССР артиллерийский засев, трансформировался в ракетно-артиллерийский, а в настоящее время ракетный засев полностью вытеснил артиллерийский. Эти вариации осложняют статистическую оценку эффективности проектов ПГЗ, так как вносят неоднородности в ряды наблюдений.
Наземно-генераторный способ засева приземной атмосферы, являясь наиболее простым и дешевым, начал применяться раньше других. Он основан на использовании ацетоновых или пиротехнических генераторов аэрозоля Agl, дистанционно запускаемых в дни с прогнозом града. Например, на юго-западе Франции на площади 80 000 км2, с годовыми потерями ПО миллионов долларов осуществляется проект ANELFA, начатый в 1952 г., с засевом атмосферы с помощью 605 ацетоновых генераторов Agl производительностью 8 г/ч Agin годовым расходом 1200 кг/год [10, 11, 104 - 105]. Предполагается, что аэрозоль Agl вносится в градовые облака конвективными потоками. Очевидно, что этот способ не гарантирует засева градовых облаков в требуемой концентрации. Большая часть реагента может уноситься горизонтальными потоками на подветренные районы в соответствии с розой ветров.
Авиационный засев восходящего потока с уровня основания облаков с помощью бортовых ацетоновых или пиротехнических генераторов Agl, либо сбрасывания с уровня вершины фидерных облаков пиротехнических шашек с Agl или гранул СОг- Например, в штате Северная Дакота США [147], начиная с 1961 г. на площади 26278 км осуществляется засев облаков восемью самолетами (2 герметизированных самолета с вершины и 6 с подоблачного слоя).
Этот метод обеспечивает более локальный и целенаправленный засев, чем наземные генераторы, но не обеспечивает единовременность засева всего объема будущего градообразования, часть объектов не могут быть засеяны или засеваются частично.
Преимуществами этого способа являются возможность охвата больших территорий, используя минимум технических средств (несколько самолетов) и немногочисленный персонал, а также возможность применения в регионах с интенсивным воздушным движением.
Артиллерийский способ засева позволяет вводить реагент непосредственно в желаемую часть облака с высокой точностью на требуемой высоте. Зенитные противоградовые снаряды "Эльбрус-4" калибром 100 мм, использовавшиеся в 7 регионах бывшего СССР, обеспечивали возгонку взрывом сначала 20, а позже 75 г Agl [79], или 235 г NaCl [22 - 23], создавая в локальном объеме около 1014 частиц льдообразующего или 1010- 1011 частиц гигроскопического аэрозоля. Широко используемые в 18 проектах Китая зенитные снаряды калибра 37 мм обеспечивают возгонку 1 - 3 г Agl [159 и др.]. Недостатками этого способа является дискретность засева и связанный с этим большой расход снарядов и невозможность быстрого засева всего требуемого объема в крупномасштабных градовых облаках, а также необходимость большого числа артиллерийских пунктов и персонала.
Радиолокационный метод оценки физической эффективности АВ на градовые облака
Как видно из рис. 2.1 значение ==ф=: для засеянных ОВ I категории ЛЯдг(ґ0 ) через 10 мин после однократного засева резко уменьшается, а через 20 мин приближается к нулю. В незасеянных ОВ I категории отмечается резкое увеличение этого параметра и переход облаков в период условного воздействия в градовое состояние, потом достаточно длительное время существования в градовом состоянии. Через 15-20 мин после начала условного воздействия наблюдается медленное уменьшение высоты повышенного радиоэха AHAZ{tQ ) При естественном развитии ОВ I категории, в среднем через 10-15 мин MiJt) после появления высокозарождающегося первого радиоэха, параметр ч AHAZ{t0 ) достигает своего максимального значения, в то время как, для засеянных он уже приближается к нулю. Продолжительность существования засеянных ОВ I категории в среднем на 35 - 50 мин меньше, чем незасеянных.
Таким образом, сравнение временного хода параметра для /HHbz(tQ ) засеянных и незасеянных ОВ I категории показывает существенные качественные и количественные различия, которые показывают, что применяемая технология воздействия эффективна при засеве ОВ I категории, а также подтверждает необходимость их засева. Если их не засевать, то в 80 % случаев они перерастают в градовое состояние [2, 12, 13].
Анализ трансформации во времени нормированных значений параметров дЩГ) л#й(0 pfi) zjt) мЩ) AHB{t0Y Р )У zm(t0)
засеянных и незасеянных ОВ II категории (см. рис. 2.2) показывает, что закономерности эволюции во времени вышеуказанных параметров для засеянных и незасеянных ОВ также как и для I категории серьезно отличаются. Значения всех параметров засеянных ОВ после окончания АВ резко уменьшаются, но более однозначно и раньше эффект АВ проявляется в трансформации значений ЛНЛ2 и комплексного параметра Рг, который позволяет в 95 % случаев однозначно характеризовать градоопасность облаков. Значение Рг засеянных ОВ II категории после начала АВ уменьшается и через 15 мин практически становится равным нулю. Значения Рг для незасеянных ОВ в период условного воздействия увеличивается, что свидетельствует об их переходе из градоопасного состояния в градовое и, затем, в течение 15 - 20 мин (в стадии квазистационарного состояния градовых облаков) остается практически неизменным, а затем начинает медленно уменьшаться. 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 to t1
Эволюция во времени значения т засеянных и не засеянных градоопасных конвективных ячеек - ОВ II категории. Значение AHAZ в течение 5 мин после начала засева остается почти неизменным, затем, быстро уменьшается, через 15 мин становится вдвое меньше, а через 25-30 мин практически равным нулю. Для незасеянных ОВ в период условного воздействия значение АНдх изменяется незначительно, а затем начинается его довольно медленное уменьшение.
Значения Zm и АНВ (превышение высоты верхней границы радиоэха над уровнем изотермы 0 С) реагируют на АВ более медленно. Как видно из рис. 2.2 продолжительность существования засеянных ОВ II категории, в среднем, на 30 - 35 мин короче, чем незасеянных.
Таким образом, наиболее информативными показателями эффективности АВ на ОВ II категории являются Рг и АНдг- Полученные закономерности их эволюции в результате засева и естественном развитии позволяют сделать выводы об эффективности применяемой технологии воздействия на ОВ II категории и правильности применяемых критериев их распознавания.
Анализ временного хода значений X(t)/X(to) засеянных и незасеянных ОВ III и IV категорий (см. рис. 2.3 - 2.4) показывает, что различия в эволюции засеянных и незасеянных градовых облаков весьма ощутимы, хотя и в меньшей степени, чем для объектов I и II категории. Наиболее информативным показателем эффективности является резкое уменьшение значения Рг и ZAV45, характеризующего в данном случае разрушительный градовый потенциал облаков, значение которого уже через 15-20 мин после начала засева уменьшается до 20 - 30 % своего значения в момент t0, а через 30-35 мин приближается к нулю. Быстро уменьшаются значения AV , AV55 и AV65, -объёмы градового очага с Z10 45, 55 и 65 dBZ выше уровня изотермы 0 С. Значения Zm, АН45 и S45 указывают на достижение цели и необходимость прекращения воздействия позже. Это в наибольшей степени относится к ОВ IV категории (рис. 2.4). Более высокая эффективность вновь предлагаемых показателей физической эффективности AV45, AV55 и AV65, ZVA5 и ZAV объясняется тем, что процесс градообразования и реакция облака на засев имеют пространственный характер, который более удачно характеризуется значениями этих двухмерных и трехмерных характеристик.
Таким образом, автоматизированные измерения двумерных и трехмерных характеристик полей радиолокационной отражаемости ZE, AV45, AV55 и AV65, ZV45 и ZAV , размера града dm, и потока кинетической энергии градовых осадков Ё позволяет более информативно контролировать эффективность АВ.
Методика оценки градоопасности года и региона
В [2] на основе анализ эволюции пространственной структуры засеянных градовых облаков было показано, что наиболее ранним указателем реакции мощных градовых облаков на засев является опускание нижней границы навеса радиоэха до земли, исчезновение навеса, а также трансформация упорядоченной несимметричной структуры радиоэха в осе симметричную. Вместо одной области мощного радиоэха появляется несколько областей с более низкой отражаемостью. Потом уменьшаются высоты верхней границы %б5, Z55 , Z45, несколько позже уменьшается значение Zm и еще позже высота верхней границы радиоэха.
Уменьшение площади горизонтального сечения навеса радиоэха, опускание его нижней границы и исчезновение свидетельствует об уменьшении масштаба и скорости восходящих потоков и исчезновении струи мощных восходящих потоков, над которым формируется навес радиоэха. В свою очередь уменьшение горизонтальных размеров и скорости струи восходящего потока, и ее исчезновение свидетельствует о наступлении стадии диссипации градового облака.
Следует отметить, что значения вновь предлагаемых параметров (ZAV , ZAV , ZAV ) могут однозначно характеризовать уменьшение массы растущего града в области отрицательных температур и момент исчезновение навеса радиоэха с растущим в нем градом.
Таким образом, качественная оценка тенденции в эволюции ОВ (развитие или диссипация) в оперативной практике АВ может осуществляться по: - эволюции навеса радиоэха и ячейковой структуры облачной системы; - временному ходу значений ZAV , ZAV , ZAV ; - карте суммарной отражаемости облака выше уровня изотермы О С (Z). С другой стороны, как видно на рис. 2.7е, временной ход значений параметров ZAV , Z&v , ZAV , показывает, что они более адекватно характеризует момент достижения эффекта воздействия, чем точечные значения Zm, dmax, ЛНВ, ЛН45 и т.п. Действительно, как видно на рис. 2.7з, в 2331 верхняя граница градового очага уже опустилась до уровня изотермы О С, т.е. идет процесс обрушения града, зона роста града уже отсутствует, а значения Zm, dmax, Нв, ЛН45 остаются еще характерными для градового состояния облака и фиксируют его переход в не градовое состояние с запозданием на 4 - 10 мин
Количественную оценку эволюции градового очага в облаке рекомендуется осуществлять по изменению: 7 7 7 - V45, Р55 и V65 (км3) - объёмов градового очага с Z10 45, 55 и 65 dBZ; -з - AV45, AV55 и AV65, (км ) - объёмов градового очага с Zi0 45, 55 и 65 dBZ выше уровня изотермы 0 С; - размера (dmax, см); - карты потока кинетической энергии града вблизи земли (Е , ДЖ-M V1). Резкое уменьшение указанных параметров свидетельствует об ослаблении градового процесса и возможности прекращения воздействия при достижении некоторых критических значений.
Прекращение выпадения града, уменьшение объёма градового очага, размера и кинетической энергии града рекомендуется определять по временному ходу следующих параметров: - Р - вероятность выпадения града; - 45 V55 и V65 (км3) - объёмы радиоэха с Zl0 45, 55 и 65 dBZ; - ЛН65, ЛН55, ЛН45, ЛН\5 (км) - высоты, над уровнем изотермы 0 С изолиний Zio 65, 55, 45 и 15 dBZ, соответственно; - dmax - максимальный размер града в облаке, см; - карты потока кинетической энергии града вблизи земли Ё, Дж-м"2-с-1. 2.3.5. Квалифицированная оценка эффективности АВ на градовые процессы и принятие решения о необходимости или прекращении засева должна осуществляться дифференцированно: по признакам, характерным для ОВ различных категорий, основанным на измерении наиболее чувствительных точечных, двумерных и трехмерных параметров засеянных ОВ. 2.3.6. Засев ОВ 1 категории следует считать успешным и прекратить воздействие на него при достижении через 5 мин после однократного засева одного из следующих эффектов: а) диссипация (исчезновение) радиоэха ОВ; б) уменьшение ZAV до значения ZAV 3-Ю dBZ-км , при Zm 35 dBZ; в) уменьшение AV25 до значения AV25 10 км3. 2.3.7. Засев ОВ 2 категории, следует считать успешным при достижении через 5 мин после двукратного засева следующих критериальных значений: a) ZKyAi 3-Ю3 dBZ-км3; 6)ZU 5 50KM3; в) ЛН45 1,0 км при Zm 55 dBZ; т)Рг 0,01.
Засев ОВ III и IV категории следует считать успешным при последовательном достижении через 5-10 мин после 3-х и 4-х кратного засева соответственно следующих эффектов: а) уменьшение площади SH, высоты нижней границы Нн и исчезновение навеса радиоэха; б) трансформация характерной упорядоченной структуры радиоэха градообразующей ячейки в неупорядоченную с появлением нескольких очагов повышенной отражаемости с Zm 50 dBZ; в) уменьшение значений радиолокационных параметров до критериальных: - ZAV$5 = ZAV&5 = 0, ZAV45 = 1-Ю4 dBZ-км3; - AV65 = AV55 = 0,AVA5 = W2KM\ - ЛН45 1,0 км при Zm 45 dBZ; - Р 0,1; - т 0,1Дж/м2с; г) прекращение выпадения града, определяемое по картам полей: - размера града dm\ - потока кинетической энергии града вблизи земли Ё; - суммарной отражаемости Zf, - интенсивности повреждения сельхозкультур К. 2.3.9. Коэффициент успешности засева при использовании любых показателей эффективности следует рассчитывать по формуле X (і) К = — - 1, (2.3) Xt(Kp) где Xi(t) и Хі(кр)- текущие и критериальные значения измеряемых параметров. Засев следует считать успешным и прекратить воздействие, если К 1.
Применение автоматизированных метеорадиолокаторов позволяет значительно расширить объем информации о физических параметрах града и градовых облаков с помощью одноволновых [155 - 157] и двухволновых [3, 4, 106] измерений трехмерных параметров облаков, получения в реальном масштабе времени [12, 95] двумерных карт ячейковой структуры градовых облаков, полей размера града dm, потока кинетической энергии града Ё, кинетической энергии града Е, глобальной кинетической энергии града и т.д.
Методика сбора и систематизации экспериментального материала
При оценке эффективности ПГЗ необходимо учитывать агроклиматические характеристики региона, характеристики и повторяемость града и других, неблагоприятных для сельского хозяйства атмосферных явлений, интенсивность сельскохозяйственного производства, особенности его специализации (превалирующие культуры), особенности применяемой агротехники, характеристики ущерба от разных стихийных явлений, и в том числе от града.
Экономическая эффективность ПГЗ в значительной степени зависит от градоопасности ЗТ и ценности защищаемых культур. Поэтому для оценки Ее российской технологии ПГЗ в разных регионах имеет смысл рассмотреть особенности их физико-географических и агроклиматических характеристик, профиль сельскохозяйственного производства, климатологию града и градоопасность этих регионов.
Российская технология ПГЗ длительное время применялась в РФ, Украине, Молдове, Азербайджане, Армении, Грузии, Узбекистане, Таджикистане, Аргентине и Бразилии. Эти регионы серьезно отличаются по физико-географическим и климатическим условиям и градоопасности.
Северный Кавказ, где осуществляются все проекты ПГЗ в РФ, по физико-географическим условиям можно разделить на 3 района: а) обширная равнина большей частью с недостаточным увлажнением (годовое количество осадков 200 q 400 мм), местами лугово-болотные почвы, часть которых осушена и распахана, а местами с засушливым климатом (q 100 мм) и часто пересыхающими реками; где созданы достаточно крупные водохранилища и оросительная сеть; б) предгорья главного Кавказского хребта со степными ландшафтами и постепенным повышением уровня местности, плодородными почвами (преимущественно чернозем) и интенсивным земледелием, где осуществляется защита от града. В центральной части этой территории расположена
Ставропольская возвышенность высотой до 600 м, обостряющая развитие грозо-градовых явлений. На юге пологая равнина с высотами до 600 м, среди которой возвышаются многочисленные горы высотой до 1400 м, переходящая в многочисленные долины рек между отрогами Главного Кавказского хребта. Количество осадков по мере приближения к горам увеличивается от 200 до 600 мм, но значительная часть территории с орошаемым земледелием;
в) северные склоны Главного Кавказского хребта, изрезаны глубокими ущельями, ориентированными в Краснодарском крае с юга на север, а в центральной и восточной части с запада на восток. Поэтому годы повышенной градовой активности в Краснодарском крае, обусловлены преобладанием холодных фронтов с запада и юго-запада, а в центральной части Северного Кавказа - с севера и северо-запада. Наиболее высокая часть Главного Кавказского хребта (с вершинами 5000 - 6000 м), занимает нивально-гляциальная зона, где большие площади заняты ледниками и вечными снегами. Количество осадков увеличивается с высотой от 600 до 1200 мм и более.
Юг Украины и Молдова, где осуществляется ПГЗ, преимущественно равнинные, граничащие на северо-западе с Карпатскими горами, охватывающие в междуречье Прута и Днестра Северо-Молдавское плато (высотой до 320 м), лесистые холмы (Кодры) Центрально-Молдавской возвышенности (до 430 м), а также отроги Подольской и Приднепровской возвышенностей. Почвы Южной Украины и Молдовы очень плодородны, преобладают черноземы (80 % территории), но встречаются серые и бурые лесные почвы. Северная часть Крымского полуострова - степная равнина, с оросительной сетью, южная занята невысокими горами, вытянутыми с юго-запада на северо-восток. Годовое количество осадков на ЗТ от 300 до 800 мм.
Закавказье имеет сложный рельеф, с чередованием многочисленных хребтов и горных долин, местами хорошо увлажненных, а местами с сухим климатом и высокими летними температурами (до 45 С).
Территория Грузии - совокупность горных хребтов, низин, равнин, плоскогорий, террас и ущелий. По северу Грузии с запада на юго-восток тянется Главный Кавказский хребет (водораздел рек Северного Кавказа и Закавказья), а в южной части - Южно-Грузинское нагорье. Между боковыми хребтами расположены плодородные долины (Алазанская, Морская) с обилием ливневых и градовых осадков, защищаемые от града.
Территория Армении представляет собой сочетание высоких нагорий, плато и котловин, над которыми возвышаются мощные лесистые горные хребты, вулканические массивы и вершины. 70 % территории республики находится на высоте 1500 - 3000 м и только 0,3 % территории имеет высоту до 500 м. Западнее крупного высокогорного озера Севан расположена Араратская долина, являющаяся основным сельскохозяйственным районом республики. Защита от града осуществлялась над всеми долинами и плато с культивируемыми землями.
Рельеф Азербайджана отличается большой сложностью. Около 40 % территории занято низменностью, 25 % территории заполняют предгорья и низкие горы (до 500 м), несколько большую часть занимают горы средней высоты (500-1500 м) и около 1/8 части территории приходится на высокогорные области. Большая часть долин и равнин (Кура-Аракская, Ленкоранская и Прикаспийская низменности) имеют засушливый климат, местами полупустынный. Горные долины лучше увлажнены (300 q 800 мм) и являются районами интенсивного земледелия, где проводилась защита от града.
Территория Узбекистана по физико-географическим условиям очень разнообразна, содержит обширные горные системы (с высотами до 6000 м), пустыни, равнинные степи (Голодная, Каршинская) и обширные горные долины (Ферганская, Зеравшанская), окруженные горами, с разветвленной сетью оросительных каналов, крупные водохранилища (Кайракумское на р. Сырдарье и др.). В соответствии с орографией количество осадков меняется от 50 - 100 мм до 500 - 800 на защищаемых от града территориях. В пойме рек Сырдарьи, Чирчика и Ангрена развиты луговые и лугово-болотные почвы, в предгорьях преобладают светлые сероземы, местами солончаковые.
Таджикистан - горная страна, 93 % территории занимают горы и горные хребты, относящиеся к системам Тянь-Шаня, Гиссаро-Алая и Памира с вершинами более 6000 - 7000 м. Основное земледелие осуществляется в горных долинах, включая западную часть Ферганской долины, часть Голодной степи, Гиссарскую и Вахшскую с теплым континентальным климатом. В долинах преобладают сероземы, в верхнем поясе предгорий и склонов хребтов до высоты 1500-1900 м - тяжелые сероземы, в горах коричневые почвы, высокогорные лугово-степные, степные и пустынно-степные почвы.
Провинция Мендоса республики Аргентина, где длительное время применялась российская технология ПГЗ, является одним из наиболее градоопасных регионов мира. Она расположена в западной части Аргентины между 31 - 34 южной широты и 67 - 69 восточной долготы. В приграничной с Чили территории провинции проходит массивная горная цепь Южноамериканских Кордильер (Анд), которая в Северной части провинции достигает 4000 - 6000 м над уровнем моря (с высочайшей вершиной Аханкагуа 6800 м) и постепенно снижается к югу провинции до 2000 - 3000 м. Три оазиса культивируемых земель провинции (Северный, Центральный и Южный) расположены на равнине, примыкающей к горам вдоль рек Мендоса, Тунуян и Диаманте.
