Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Определение электрического состояния облаков наземными, самолетными и дистанционными радиотехническими средствами 15
1.1. Параметры электрического состояния конвективных облаков и возможности их дистанционного измерения 15
1.1.1 Измерения напряженности электрического поля 16
1.1.2 Вариации напряженности электрического поля. Время релаксации 18
1.1.3. Определение поверхностной и объемной плотности зарядов 20
1.1.4. Определение электрической проводимости в облаке и за его пределами 22
1.1.5. Определение плотности электрического тока под облаком 23
1.1.6. Токи коронирования 23
1.2. Методы исследования электрической макроструктуры облаков и их ограничения 24
1.2.1. Исследование макроструктуры облаков по изменениям электрического поля, возникающего при разрядах молний 24
1.2.2. Исследование макроструктуры облаков посредством вертикального зондирования электрического поля с помощью радиозондов и ракет 24
1.2.3. Исследование структуры электрического поля у поверхности земли при прохождении грозового облака 25
1.2.4. Исследование структуры электрического поля в облаках с помощью самолетов 25
1.3. Обобщенные данные об электрических свойствах конвективных облаков 26
1.4. Взаимосвязь электрических и других метеорологических характеристик облаков 28
1.5. Использование дистанционных радиотехнических средств для определения электрического состояния облаков 29
1.6. Обоснование физических свойств электроактивных зон облака... 35
1.7. Постановка задачи исследования эволюции грозовых облаков 37
Глава 2. Пассивно-активные радиотехнические средства ПЭБ Тургош для измерения параметров грозовых облаков 40
2.1. Стадии эволюции электрического состояния конвективных облаков, характерные признаки и средства обнаружения 41
2.2. Радиолокационное обнаружение облаков, осадков и молний (научно-методические основы и техническая реализация) 44
2.2.1. Радиолокационные средства ПЭБ Тургош 44
2.2.2. Аппаратура регистрации данных и обеспечения наблюдений 47
2.2.3. Методические и технические решения для многоволнового активно-пассивного зондирования 48
2.2.4. Обнаружение конвективных (грозовых) облаков и молний с помощью РЛС 63
2.2.4.1. Обнаружение грозовых облаков с помощью РЛС 63
2.2.4.2. Обнаружение молниевых разрядов с помощью РЛС 66
2.3. Обнаружение молний с помощью грозопеленгаторов разных конструкций 73
2.3.1. Результаты исследований эффективности АГПД Очаг-2П 74
2.3.2. Результаты исследований эффективности АГПД Оранж 76
2.3.3. Результаты исследований работоспособности грозопеленгационной сети МО РФ 78
2.3.4. Результаты исследований работоспособности грозопеленгатора ALDF-141Т (серия IMPACT) 84
4 2.3.5. Возможности повышения эффективности применения грозопеленгационных данных 91
Глава 3. Результаты исследований характеристик грозовой активности облаков с помощью радиотехнических средств ПЭБ Тургош 98
3.1. Результаты исследования ЭМИ грозовых облаков в метровом диапазоне радиоволн 98
3.1.1. Аппаратура регистрации ЭМИ грозовых облаков 99
3.1.2. Методика регистрации ЭМИ грозовых облаков 101
3.1.3. Результаты регистрации ЭМИ грозовых облаков 101
3.1.3.1. Определение длительности ЭМИ вспышек молний 102
3.1.3.2. Определение предельного расстояния обнаружения ЭМИ вспышек молний в метровом диапазоне радиоволн 103
3.1.3.3. Измерение характеристик ЭМИ вспышек молний, обнаруженных РЛС П-12 и АГПД Очаг-2П 106
3.1.3.4. Определение боковых лепестков диаграммы направленности РЛС П-12 107
3.2. Параметры радиоэхо молний, обнаруживаемых РЛС метрового и дециметрового диапазонов радиоволн с различной поляризацией 108
3.2.1. ЭПР каналов молний на X = 200 см и X = 35 см 109
3.2.2. Время существования радиоэхо молний на А, = 200 см и А. = 35 см 111
3.2.3. Радиальные размеры радиоэхо молний на X = 200 см и Я. = 35 см П2
3.3. Обнаружение молний на X = 11 см 114
3.3.1. Параметры радиоэхо молний на X = 11 см 115
3.3.1.1. Радиальные размеры радиоэхо молний на Х= И см 115
3.3.1.2. Время существования радиоэхо молний на А= 11 см 116
3.3.1.3. ЭПР молний на А,= 11 см 118
3.3.1.4. Дальность обнаружения молний на X = 11 см 119
3.3.2. Возможность применения МРЛ-5 для обнаружения молний 120
3.4. Теоретическое моделирование процессов электризации в грозовых облаках 124
3.5. Возможности применения информации о молниях при АВ на грозоградовые облака 135
Глава 4. Исследования одноячеистых грозовых облаков на ПЭБ Тургош 140
4.1. Методика проведения наблюдений с помощью комплекса РТС... 140
4.2. Методика обработки данных радиолокационных наблюдений 141
4.3. Результаты исследований одноячеистых грозовых облаков 144
4.3.1. Закономерности эволюции радиоэхо конвективных ячеек 144
4.3.2. Изменение вертикального профиля отражаемости конвективной ячейки в ходе грозы 151
4.3.3. Взаимное расположение в грозовых облаках зон молниевой активности, зон повышенных значений отражаемости, турбулентности и интенсивности осадков 154
4.3.3.1. Результаты сопоставления местоположения грозовых разрядов с осадками различной интенсивности 157
4.3.3.2. Результаты сопоставления местоположения грозовых разрядов с отражаемостью грозовых облаков 158
4.3.3.3. Результаты сопоставления зон повышенных значений отражаемости, турбулентности и грозовой активности 161
4.4. Определение местоположения и размеров зон основных электрических зарядов конвективного облака 166
4.5. Результаты исследования аномальных грозовых облаков 169
4.6. Рекомендации по обнаружению аномальных грозовых облаков с помощью МРЛ 174
4.7. Молниевая активность в слоисто-дождевых облаках 176
4.8. Возникновение молний в «вялых» грозовых облаках 179
Глава 5. Исследования многоячеистых грозовых облаков на ПЭБ Тургош ... 184
5.1. Формирование внутримассовых многоячеистых облаков 184
5.2. Формирование фронтальных многоячеистых облаков 187
5.3. Статистическая модель конвективной ячейки 189
5.4. Особенности грозовой активности в многоячеистых облаках 195
5.4.1. Взаимосвязь местоположения, размеров грозовых разрядов с ячеистой структурой облаков 196
Глава 6. Сопоставление самолетных измерений напряженности электрического поля конвективных облаков с их радиолокацион ными характеристиками 210
6.1. Организация летных экспериментов и методика сравнительных наблюдений 210
6.2. Результаты сопоставления данных бортовых измерений напряженности электрического поля с радиолокационной структурой облака 213
6.3. Временное изменение напряженности электрического поля над кучево-дождевыми облаками 218
6.4. Регистрация ЭМИ облаков наземными РТС одновременно с измерениями напряженности электрического поля на борту самолета 221
6.5. Сопоставление напряженности электрического поля и радиолокационного критерия грозоопасности Y 222
Выводы 223
Заключение 225
Список литературы 229
- Методы исследования электрической макроструктуры облаков и их ограничения
- Радиолокационное обнаружение облаков, осадков и молний (научно-методические основы и техническая реализация)
- Методика обработки данных радиолокационных наблюдений
- Формирование фронтальных многоячеистых облаков
Введение к работе
Грозы сопровождают многие атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. Они представляют опасность для авиации, энергетики, других отраслей экономики и населения. Увеличение интенсивности воздушного движения, широкое применение композиционных материалов, низковольтных систем управления, компьютерных сетей сопровождается количественным и качественным ростом ущерба. По данным Национального института молниевой безопасности США (г.Луисвилл) потери гражданского сектора этой страны от поражения молниями составляют 4-5 млрд. долларов ежегодно: 150-200 млн. от лесных пожаров, около 2 млрд. из-за отмены и переносов авиарейсов в другие аэропорты, 1 млрд. из-за отключений электроэнергии, 125 млн. от повреждений компьютерных сетей и др. Кроме того, с 1990 по 2000 годы на АЭС зарегистрировано 346 инцидентов, связанных с грозами. Ежегодно страховым компаниям предъявляются около 300 000 требований на возмещение убытков, вызванных молниями (в 2000 году на сумму 332 млн. долларов).
Известно, что отличительными признаками грозовых разрядов (ГР) являются широкополосное электромагнитного излучение (ЭМИ) и высокая концентрация электронов в каналах. Радиотехнические системы обнаружения гроз различной конструкции реализуют возможности дистанционного обнаружения ГР по этим признакам, извлекая из них информацию об интенсивности грозы, тенденции эволюции и степени ее опасности для тех или иных потребителей. При этом принципиально важной для целей оперативного гидрометеорологического обеспечения является возможность оценки по характеристикам электромагнитного (в т.ч. оптического) излучения грозовых облаков, их радиолокационным параметрам вероятности возникновения опасных и стихийных явлений погоды, связанных с такими облаками.
Применение дистанционных методов обнаружения гроз (системы и датчики типа ALDF, LDAR, SAFIR, OLS, LIS и др.) показало, что электрические процессы в облаке свидетельствуют не только о его существенной микрофизической перестройке, но и предшествуют опасным явлениям погоды (ОЯ), т.е. они фактически являются предикторами ОЯ. К таким предикторам можно отнести резкое увеличение числа внутриоблачных молний (до 60 р/мин и более) за 10-15 мин до появления торнадо или за 5-10 мин до формирования опасных для авиации шквалов (микробарстов). В градовых облаках происходит реверс полярности молний с преимущественно отрицательной на положительную (в период формирования градовых частиц и выпадения града) и обратно
10 (после его окончания).
Внедрение в мировую практику новых технологий дистанционного наблюдения гроз сопровождается накоплением фактических данных об особенностях электрической активности облаков, которые в силу определенных причинно-следственных связей с некоторой заблаговременностью дают информацию об ОЯ. Исследование физического существа и устойчивости таких связей в различных синоптических условиях является актуальной задачей. Однако до настоящего времени методические подходы к ее решению недостаточно проработаны, т.к. не установлены закономерности эволюции грозовой активности (ГА) в облаках различного происхождения (внутримассовых, фронтальных), причины большой изменчивости пространственно-временных характеристик грозовых разрядов в таких облаках.
В многочисленных программах исследования гроз используются разнообразные технические средства и при сопоставлении их результатов следует учитывать, что эти датчики «видят» грозу по-разному и, в свою очередь, гроза опасна для производств, служб и населения также по-разному. К интерпретации данных наблюдательных систем необходим подход, основанный на возможно более полном учете динамических и физических свойств атмосферных явлений и процессов, в которых имеют место грозы.
В СССР получили развитие специализированные наблюдения за грозовыми облаками и молниями с помощью метеорологических и имеющихся у служб управления воздушным движением РЛС, радиоприемных устройств различного диапазона радиоволн. Коллективы под руководством В.Д.Степаненко, Л.Г.Качурина, М.И.Медалиева осуществляли измерения параметров эхо-сигналов молний и их ЭМИ, что позволило в сопоставлении с радиоэхо облаков и осадков изучать закономерности ГА облаков на севере и юге ETC. Однако физико-географические условия районов работ и значительно отличающиеся по своим динамическим, микрофизическим и электрическим свойствам облака придали определенную специфику этим исследованиям. Фактически решались разные задачи: изучение грозо-градовых процессов, поиск физических предикторов предгрозового состояния облаков в горных условиях; исследование грозовой активности облаков на равнине.
Исследованию грозовых облаков посвящено много работ. Однако, несмотря на появление более точных методов и средств обнаружения ГР, построения каналов молний в пространстве, взаимосвязь динамики облака с ходом в нем грозы во многом остается областью предположений. Это связано, прежде всего, с отсутствием в Российской Федерации сети автоматических грозопеленгаторов-дальномеров (АГПД), которая совместно с оперативными МРЛ штормооповещения позволила бы решить такую задачу.
Поэтому результаты специально организованных исследований грозовых облаков на полевых экспериментальных базах по активному воздействию на гидрометеорологические процессы (АВ) Росгидромета в 80 - 90-х годах и реализованный при этом научно-методический подход не утратили своей актуальности и могут быть положены в основу концепции создания сети АГПД. Кроме того, недостаточный уровень теоретических исследований, численного моделирования электрического состояния облаков придает большую значимость достоверным экспериментальным данным о закономерностях грозы.
Таким образом, в связи с интенсивным развитием в последние годы дистанционных методов обнаружения грозовых облаков, своевременный диагноз и прогноз опасных явлений, связанных с облачной атмосферой, приобретает большое научное и практическое значение как для физики облаков в целом, так и для оперативных работ по штормооповещению различных отраслей экономики и населения, управлению и контролю эффективности АВ.
Цель работы состоит в исследовании закономерностей развития грозовых облаков, эволюции их радиолокационной структуры и грозовой активности на протяжении периода существования с помощью комплекса наземных радиотехнических средств (РТС) и самолетов-метеолабораторий.
Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:
выделение с наибольшей достоверностью предгрозовой, грозоактивной и послегрозовой стадий конвективных облаков;
определение статистических характеристик параметров радиоэхо облаков, соответствующих этим стадиям;
- разработка метода идентификации в грозовых облаках источников
радиолокационных отражений на X = 11, 35 и 200 см при одновременной регистрации их
ЭМИ;
- определение параметров радиоэхо грозовых разрядов на X = 11, 35 и 200 см и их
сопоставление с эволюцией радиоэхо облаков на Я, = 3,2 и 10 см;
- разработка методологии проведения синхронных наземных и самолетных
измерений электрических характеристик облаков.
Научная новизна
Впервые выполнены комплексные исследования закономерностей грозовой активности облаков с использованием активно-пассивных наземных РТС и самолетов-лабораторий на севере ЕТР. В том числе, создана полевая экспериментальная база (ПЭБ Тургош) Росгидромета по АВ на 60 с.ш. и выполнены многолетние (1973-1996) исследования естественного хода грозовой активности в облаках внутримассового и
фронтального происхождения.
В результате выполнения работ:
усовершенствован метод многоволнового активно-пассивного зондирования грозовых облаков, основанный на комплексном и синхронном усвоении радиолокационных, радиотеплолокационных, радиоприемных и самолетных данных;
создан комплекс РТС обнаружения облаков и ионизированных каналов молний различного типа (внутриоблачных разрядов и разрядов на землю), что позволило выполнить ряд исследований прикладного характера в области грозового электричества;
получены новые физические данные об электрическом состоянии облаков с помощью наземного комплекса РТС и самолетов-лабораторий.
определены параметры радиоэхо облаков в предгрозовой, грозоактивной и послегрозовой стадиях при достоверном контроле времени начала и окончания грозовой активности в облаке;
установлено взаимное расположение в облаках зон различной отражаемости, интенсивности осадков, повышенной турбулентности и молниевой активности. Разработан и защищен патентом РФ способ уменьшения обледенения самолетов путем АВ на переохлажденную часть облака;
определены закономерности грозовой активности в одно- и многоячеистых облаках внутримассового и фронтального происхождения.
Практическая значимость работы
Полученный в работе опыт комплексных исследований мощных конвективных облаков может быть использован в программах и проектах, связанных с: а) изучением опасных и стихийных явлений (грозо-градовые и смерчесодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, тропические циклоны); б) оценкой влияния гидрометеорологических условий на распространение радиоволн; в) определением работоспособности (вероятности обнаружения, точностных характеристик) датчиков молний различного типа (в т.ч. и космических); г) проведением ракетных и самолетных работ по воздействию на облака, осадки, грозы и др.
На базе созданного на ПЭБ по АВ (Тургош) ГГО комплекса РТС на протяжении 1978-1996 гг. в интересах различных заказчиков:
- проведены сравнительные испытания, в т.ч. государственные, автоматических
грозопеленгаторов различного типа: Оранж и Очаг-2П (НИИ ИТ, г.Челябинск), Верея-М
(12 ГУМО РФ), малая сеть грозопеленгаторов (ОКТБ ЛГУ);
- проведены первые наземные сравнительные испытания бортовых РЛС типа
РОЗ-1, Эмблема, Гроза-62 и МРЛ-1 (ГосНИИ ГА);
проведены испытания сети приборов измерения напряженности электрического поля, оснащенной телеметрическими каналами (МЭИ);
испытаны счетчики молниевых разрядов в интересах защиты высоковольтных линий электропередач (Томский политехнический институт);
- разработаны методические рекомендации по метеообеспечению взлета и
посадки космического корабля «Буран», основанные на использовании наземных РТС и
самолета-лаборатории (НПО «Энергия»);
разработаны методические указания по обходу зон грозовых облаков в целях обеспечения безопасности полетов авиации (ГосНИИ ГА, г.Санкт-Петербург);
проведены многолетние совместные исследования различных метеообразований наземными РТС ПЭБ и самолетами-лабораториями ЦАО (Н-16), НПО «Ленинец» (Ан-26), НПО «Взлет» (Ил-18, Ан-12) и ряда других организаций, в том числе по специальным программам.
На защиту выносятся следующие положения и результаты работ:
Усовершенствованный метод многоволнового активно-пассивного дистанционного зондирования (ДЗ) грозовых облаков и его техническая реализация в виде комплексов РТС ВИКИ им. А.Ф.Можайского и ГГО им. А.И.Воейкова.
Новые закономерности и результаты в области физики грозы, динамики развития и грозовой активности мощных конвективных облаков внутримассового и фронтального происхождения.
Пространственно — временные характеристики грозовой активности, наблюдаемой РЛС различных диапазонов радиоволн (11, 35 и 200 см).
Методология организации и результаты исследований грозовых облаков с помощью наземного комплекса РТС и самолетов-лабораторий.
Метод проверки точностных характеристик и вероятности обнаружения грозовых разрядов грозопеленгаторами, грозорегистраторами различных конструкций при их работе совместно с комплексом РТС ПЭБ.
Личный вклад и апробация работы
Основные научно-методические и технические результаты работы получены автором лично или под его руководством в ходе создания и проведения наблюдений на комплексах РТС на полигоне ВИКИ им. А.Ф.Можайского и экспериментальных базах ГГО им. А.И.Воейкова, на которых выполнялись работы по исследованию грозовых облаков, АВ на них и изучению влияния метеообразований на распространение радиоволн. Наряду с этим, автором разработаны алгоритмы синхронной обработки с помощью ПЭВМ информации РЛС различных диапазонов радиоволн об эволюции
14 грозовой активности. Автором проведен анализ и интерпретация всех вошедших в диссертационную работу результатов, получены физические выводы и дано их обоснование, подготовлены предложения по дальнейшему развитию работ в области исследования грозо-градовых облаков и АВ на них.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 65 научных трудах.
Основные результаты работы были представлены на I, II и III Всесоюзных симпозиумах по атмосферному электричеству (г.Ленинград, 1976 и 1984 гг., г.Тарту, 1986 г.); I Всесоюзном симпозиуме по радиофизическим методам исследования (г.Ленинград, 1977 г.); IV, VI и VII Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии (г.Москва, 1978 г., г.Таллинн, 1982 г., г.Суздаль, 1986 г.); I Всесоюзной научно-технической конференции по безопасности полетов (г.Киев, 1981 г.); Всесоюзном семинаре по техническим средствам для государственной системы контроля природной среды (г.Обнинск, 1981 г.); IV Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов (г.Ленинград, 1985 г.); VIII, IX, X и XII Международных конференциях по атмосферному электричеству (г.Уппсала, 1988 г., г.Санкт-Петербург, 1992 г., г.Осака, 1996 г., г.Версаль, 2003 г.); Технической конференции ВМО по инструментам и методам наблюдений (ТЕСО-92, г.Вена, 1992 г.); 26-й Международной конференции по радиолокационной метеорологии (г.Бостон, 1993 г.); Совещании ВМО по измерениям характеристик облаков (г.Мехико, 1997 г.); 7 и 8-й Научных конференциях ВМО по активным воздействиям (г.Чианг Май, 1999 г., г.Касабланка, 2003 г.); Всероссийской научной конференции по дистанционному зондированию земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами (г.Муром, 2001 г.); XV Международной конференции по плановым и непреднамеренным воздействиям (г.Альбукерк, 2001 г.); Всероссийской конференции по физике облаков и активного воздействия на гидрометеорологические процессы (г.Нальчик, 2001 г.); XXI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (г.Санкт-Петербург, 2003 г.), V Российской конференции по атмосферному электричеству (г.Владимир, 2003 г.).
Содержание работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии (194 наименования); содержит 241 страницу, включая 89 рисунков и 38 таблиц.
Методы исследования электрической макроструктуры облаков и их ограничения
Наряду с приведенными выше исследованиями электрического состояния грозовых облаков, были проведены работы по изучению электрических параметров дождевых облаков и облаков без осадков, оценивалась взаимосвязь электрических характеристик облаков с другими их метеорологическими характеристиками [4, б, 11, 14, 17, 20]. В этих работах использовались следующие методы. Так в работе [20] отмечается, что для оценки электрического состояния облаков необходимо: - определить величину заряда, создающего электрическое поле; - установить геометрию расположения зарядов; - определить скорость накопления зарядов; - установить какие метеорологические процессы и каким образом оказывают влияние на накопление зарядов в облаках и скорость разделения зарядов. Решение этих задач, по мнению авторов, будет способствовать идентификации физических условий, определяющих развитие грозовых облаков, и прогнозу перехода облака в ливневое или грозовое состояние. Методы изучения электрической макроструктуры облаков сводятся к четырем следующим основным видам. Этот метод использовало наибольшее количество авторов. Он дает представление о токах, текущих в облаках и о скорости накопления зарядов в них. Метод приемлем, если принять дипольную структуру облака и соответствующее (упрощенное) расположение молний, что в реальных условиях наблюдается редко. Этим методом можно получить наиболее полные данные при проведении синхронных измерений Еп сетью ПНП, но быстрое перемещение облаков над датчиками создает большие трудности в интерпретации получаемых данных.
Ракетное зондирование электрической структуры облаков показало наличие 2-3-х осовных центров зарядов величиной 6-38 Кл и размерами 0,6-3,4 км. Главным недостатком этого метода [21, 22] является то, что радиозонд проходит через случайные зоны облака, а не через области сосредоточения его основных зарядов размером в несколько сот метров при диаметре грозового облака в 10-15 км. Ракетное зондирование при использовании МРЛ для целей наведения не позволит ограничиться одним запуском, т.к. МРЛ не определяет расположение в облаке зон основных электрических зарядов. В этих целях одновременные наблюдения МРЛ и РЛС, способной обнаруживать зоны молниевой активности в облаке, а следовательно, расположение в нем основных зарядов, позволят более эффективно осуществлять ракетное зондирование электрической структуры облаков.
К недостаткам этого метода следует отнести то, что:- невозможно по наземным измерениям Е„ устанавливать точно распределение зарядов в облаке, если только оно не имеет однозарядную структуру;- трудно отделить естественное изменение Еп облака от эффектов его приближения (рост Е„) или удаления (уменьшение E„);- объемный заряд, возникающий у поверхности земли при коронировании, искажает измерения электрического поля облака в целом.
По нашим наблюдениям наземный ПНП начинает фиксировать рост Еп относительно Еп фона при приближении грозового облака к прибору на 4-5 км.
Положительные стороны метода:- полеты в районе облака позволяют определять изменения Еп во времени, т.е. эволюцию электрического состояния облака с учетом поправок на заряд самолета, в случае его пролета через облако;- по измеряемому на разных расстояниях от облака Еп можно вычислять величину и расположение основных зарядов облака, что требует дальнейшей проверки;- проводить большое количество измерений, пролетая над несколькими облаками, в то время как наземные данные о Еп можно получить только при проходе одного грозового облака над ПНП;- одновременно осуществлять аэрологическое зондирование атмосферы. Организация комплексных исследований грозовых облаков с помощью самолетов-лабораторий, МРЛ-1, РЛС обнаружения самолетов и наземных ПНП на ПЭБ Тургош позволила проанализировать особенности вариаций Еп, фиксируемых на борту самолета (будет рассмотрено в главе 6).
Электрические параметры облаков без осадков толщиной от 1,5 до 4 км исследовались в работе [11]. Кучевые и мощные кучевые облака содержат в целом 2 основных центра заряда. В работе [б] И.М. Имянитовым приводятся оценочные данные о параметрах электрического состояния конвективных облаков (табл. 1.6 и 1.7), т.к. точное определение параметров, как считает автор, требует длительных систематических измерений, пока ещё не осуществленных. Одновременно здесь же рассматривается связь электрических и других (метеорологических) характеристик облаков, в которых возникают электрические зоны.
Радиолокационное обнаружение облаков, осадков и молний (научно-методические основы и техническая реализация)
В экспериментах использованы радиотехнические средства, внешний вид которых приводится на рис. 2.1, блок-схема комплекса РТС на рис. 2.2, а значения параметров, которые РЛС имели во время экспериментов па ПЭБ, перечислены в табл. 2.3. Здесь также приведены параметры других РЛС, которые могут быть использованы для подобных исследований.Блок единого запуска РЛС
Наряду с РЛС в состав радиотехнического комплекса (ПЭБ Тургош) входили:- грозопеленгатор ПАГ-1 с ограничителем дальности 240 и 400 км (определяет только азимут молнии);- автоматический грозопеленгатор - дальномер Очаг-2П, определяющий расстояние (R) до молнии с точностью 0,3 R в радиусе 100 км и дискретно в градациях дальности 0-30, 30-70, 70-200 и 200-400 км;- автоматический грозопеленгатор ALDF-141T (серии IMPACT) производства GAI, США с GPS датчиком, предназначенный для обнаружения разрядов молний типа О-З в R до 200 км;- радиостанции для связи с самолетами типа Р-832;- аппаратура регистрации ЭМИ грозовых разрядов, обеспечивающая прием излучения дискретно в диапазонах частот І-т-25 МГц (радиоприемники «Волна» и др.) и на частоте 150 МГц (работа РЛС П-12 в пассивном режиме);- автоматический регистратор формы импульсов электромагнитного излучения грозовых разрядов в СДВ диапазоне радиоволн РФИ-860 (Af = 0.4- 64 кГц);- приводная радиостанция ПАР-10 для обеспечения полетов самолетов в районе ПЭБ;- устройство преобразования аналогового сигнала в цифровой вид (УПО);- четырехканальное УПО ИРИС (информационная радиолокационная интерактивная система);- семиканальный широкополосный магнитофон Астра — В (Af = 0.4ч-60 кГц);- кинокамеры с непрерывной протяжкой фотопленки со скоростью 12 мм/сек для съемки индикаторов типа ИКО и ИДВ с яркостной модуляцией;- блок единого запуска всех РЛС с частотами 300, 600 и 1200 Гц;- ПЭВМ ГОМ-486, ДВК-2 и ДВК-4 для обработки, представления и документирования данных наблюдений всех РЛС;- телефонные и телетайпный каналы, радиорелейная линия для связи с организациями, принимающими участие в экспериментах, аэродромами базирования самолетов - лабораторий и ближайшим пунктом зондирования атмосферы;- аппаратура приема синоптических и кольцевых карт погоды, карт барической топографии, прогностических карт и приборы штатной метеорологической станции.
Информация о грозах, поступающая от всех РТС, разнопланова (отражает разные свойства облаков и грозовых разрядов), разноформатна (представляет собой эхо-сигналы облаков и молний, последовательность импульсов ЭМИ) и разномасштабна (изменяется во времени от 10"3 секунды до часов и в пространстве от 250 м до сотен километров). Поэтому усвоение (документирование) и последующая обработка этой разнообразной информации стали возможными в результате решения ряда научно-методических задач:- выделения с наибольшей достоверностью предгрозовой, грозоактивной ипослегрозовой стадии конвективных облаков;определения статистических характеристик параметров радиоэхо облаков, соответствующих этим стадиям;- определения параметров радиоэхо грозовых разрядов, наблюдаемых в метровом и дециметровом диапазонах радиоволн, и их сопоставления с эволюцией радиоэхо облаков, обнаруживаемых в МРЛ;- разработки методики идентификации в грозовых облаках источников радиолокационных отражений в метровом и дециметровом диапазонах при одновременном использовании данных регистрации ЭМИ;- определения закономерностей эволюции радиоэхо облаков и грозовых разрядов.
Это стало, в свою очередь, возможным благодаря решению ряда технических вопросов, в частности: - организации единого запуска всех РЛС для обеспечения электромагнитной совместимости и возможности многоканальной регистрации данных; осуществлению преобразования аналоговых выходных сигналов РЛС в цифровые с помощью УПО для последующей записи на многоканальном магнитофоне и ЭВМ; - совмещению во времени поимпульсной регистрации радиоэхо молний с записью их ЭМИ и сигналов точного времени. Регистрация данных наблюдений комплекса РТС проводилась с помощью следующих устройств: 1. Семиканального широкополосного магнитофона Астра-В, на котором велась поимпульсная запись: - радиоэхо вспышек молний, обнаруживаемых РЛС П-12 и ПРВ-10; - сигналов регистратора формы импульса в СДВ диапазоне радиоволн. Форма импульса
Методика обработки данных радиолокационных наблюдений
Для уменьшения рассеивания исследуемых параметров грозовых облаков и получения более определенных зависимостей экспериментальные данные классифицировались по структуре радиоэхо облаков (тесно связанной с их динамикой): одноячеистые (изолированные) и многоячеистые (суперпозиция нескольких ячеек). Измерение параметров радиоэхо отдельных КЯ с интервалом 5-7 минут позволило определить средние значения и дисперсию этих параметров на различных стадиях существования ячеек.
Величина радиоэхо облаков определялась путем введения в приемный тракт МРЛ-1 ослабления через 5 дБ с помощью калиброванного аттенюатора по промежуточной частоте и одновременной фотосъемки экранов РЛС. При этом в поле радиоэхо определялись зоны повышенной отражаемости (КЯ) диаметром Dj, ограниченные некоторым значением Zj и расположенные одна от другой на расстоянии Rj. С помощью комплекса РТС измерялись следующие параметры радиоэхо КЯ и определялись их статистические характеристики ( х, crx, Vx): ), состоящих из отдельных конвективных ячеек (угол места антенны МРЛ-1 фд = 1). Ячейки обозначены стрелками с соответствующим номером. Рядом с ячейкой приведено значение ZMaKC (в мм6/м3), которую она имеет в данный момент времени на данной высоте. Методику обработки данных поясним на примере анализа результатов наблюдений за облаками внутримассового характера 25.07.76. Методика предусматривала разделение облаков по величине ZMaKc на группы: Си cong — Cb (1 группа) и СЬ (2 группа). Известно, что облака типа Си cong - Cb имеют отражаемость 102-103 мм6/м3, а СЬ - более 103 мм6/м3 [80]. Кроме того, по параметрам радиоэхо ячеек рассчитывалась величина критерия грозоопасности Y = Нмакс lg Z3 [144], где lg Z3 измеряется на Нз = Н t=o + 2 км. Это позволило дополнительно разделить ячейки 11 группы на ливневые и грозовые. Из общего числа 110 обнаруженных ячеек 70 % принадлежало к 2 группе, а 30 % - к 1 группе. В этот день из числа ячеек 2 группы согласно критерию Y 25 70 % ячеек принадлежало к грозовым и 30 % - к ливневым. конвективных ячеек 25.07.76 в 15 , угол места антенны фд - У каждой ячейки определялись: период существования Т, время достижения ZMaKC - ti, время диссипации ячейки - t2 и отношение X\l Т (таблица 4.1). Отсчет указанных интервалов времени осуществлялся тогда, когда Z ячеек становилась более 10 мм6/м3. Выбор за начало отсчета данного значения Z определялся, с одной стороны, необходимостью исследования грозовых конвективных ячеек и, с другой стороны, тем, что это позволило анализировать облака вне зависимости от их удаления в R до 200 км. Из рис. 2.13 следует, что наименьшее обнаруживаемое МРЛ-1 значение отражаемости на R = 200 км составляет ZMHH —7-8 мм /м . таблицы 4.1 видно, что период полного развития конвективных ячеек (tj) до ZMaKc равен 16-24 мин и составляет 0,3-0,4 Т. Наибольшие значения указанных интервалов времени и их СКО присущи грозовым ячейкам. С целью набора данных, характеризующих эволюцию ячеек указанных выше групп в течение периода существования, определим средние значения и СКО параметров их радиоэхо в следующие моменты времени: 0,5 ti (рост), t\ (стадия максимального развития) и 0,5 t2 (диссипация). Эти данные приведены в таблице 4.2. В качестве примера на рис. 4.2а приведена эволюция Z ячейки на различных высотах. Средние значения ZMaKc для различных групп ячеек в указанные моменты времени представлены на рис. 4.26, откуда заметно, что зависимость ZM3KC = jf(t) ячеек можно аппроксимировать квадратичной функцией. Характерным в этой зависимости является быстрый переход от стадии роста к стадии диссипации.
Из таблиц 4.1 и 4.2 следует, что: - скорость изменения отражаемости на стадии развития КЯ всех групп в 2-2,5 раза больше, чем на стадии диссипации; - у ячеек всех групп на стадии диссипации СКО значений отражаемости в 2 раза больше, чем на стадии роста; - выделенные по значению Y = 25 ячейки COR облаков имеют в 1,5-3 раза большие значения всех параметров радиоэхо по сравнению с ячейками СЬу облаков; - ячейки СЬя облаков характеризуются наибольшей дисперсией радиолокационных характеристик. Отметим время развития КЯ до ZMaKc ti = 17-24 мин в день с внутримассовым развитием облаков. Если МРЛ в аэропорту проводит наблюдения через 30 мин и более, то в этом случае может быть пропущено появление облака на трассе полета самолета. В связи с использованием косвенных радиолокационных критериев грозоопасности облаков на сети оперативных МРЛ представляет практический интерес вопрос: насколько достоверно они указывают на предгрозовое, грозоактивное и послегрозовое состояние облаков.
Формирование фронтальных многоячеистых облаков
Анализ эволюции ячеек фронтального происхождения показывает, что период их существования на 10-15 мин короче, чем у внутримассовых ячеек. Распределение величины г; для фронтальных ячеек (обозначено штриховой линией на рис. 5.1 и 5.2). И в этом случае ячейки чаще всего появляются в фронтальной и тыловой частях очага радиоэхо. Однако на фронте среднее расстояние до новых ячеек составляет 6 км и мало изменяется от места (азимута) появления относительно старшей ячейки.
Ячейки на фронте в 63 % случаев появлялись в зоне Ъ\ 10 мм6/м3 , в 27 % - в зоне 10 Zi 102 мм6/м3, в 9 % - в зоне 102 Zj 103 мм6/м3 и в 1 % - в зоне Z; 103 мм6/м3. Здесь целесообразно сопоставить места появления новых ячеек в внутримассовых и фронтальных СЬ. Так в первом случае 92 % ячеек появилось в зоне Zi 10 мм /м и 4 % в зоне 10 Zj 10 мм6/м3, а во втором случае — 63 и 27 % соответственно. Видно, что в фронтальных СЬ значительно возрастает число ячеек, появляющихся в зоне 10 Z; 102 мм6/м3, т.е. область слабого радиоэхо между зонами ZMaKc многоячеистого фронтального очага является местом интенсивных воздушных движений, приводящих к возникновению новых ячеек. При этом dZ/dt данных ячеек имеет наибольшие значения, т.к. они развиваются в непосредственной близости к мощным конвективным ячейкам (см. рис. 5.4).
При прохождении холодного фронта изменение расстояния между зонами ZMaKC новых и существующих ячеек наблюдалось в 85 % случаев. Средние значения интервалов времени объединения фронтальных ячеек ИЗОЛИНИЯМИ Zj = 1, 10 , 10z и 10J мм /м и соответствующие этому расстояния между зонами ZMaKc ячеек указаны на рис. 5.3 кружками. В основу расчетов положены только те ячейки, которые в этот день появились за пределами изолинии 10 мм6/м3 (63 % ячеек). Расстояние между зонами ZMaKc соседних ячеек на фронте оставалось неизменным в 15 % случаев. Заметно, что процесс формирования многоячеистого облака на фронте и во внутримассовой ситуации (рис. 5.3) одинаков, однако осуществляется в первом случае быстрее (на 4-6 мин) и при меньшем расстоянии (на 1,5-2 км) между зонами ZMaKC ячеек. Здесь также ячейки с ZMaKC 103 мм6/м3 редко объединяются изолиниями Zj = 103 мм6/м3, т.е. существуют в фронтальном очаге изолированно.
Если сопоставить зависимость значений (dZ/dt)MaKc фронтальных ячеек от гмин между ними (данные обозначены крестиками на рис. 5.4) с аналогичными данными, полученными для внутримассовых ячеек, то видно, что эти зависимости имеют одинаковый характер.
Приведенные выше результаты исследований показывают, что имеют место общие закономерности формирования многоячеистых облаков и эволюции составляющих их конвективных ячеек независимо от того, являются они внутримассового или фронтального происхождения. Отличия состоят в большей скорости и пространственной компактности процессов формирования фронтальных многоячеистых облаков. Следовательно, многоячеистая структура облака в значительной степени определяет эволюцию параметров отдельной КЯ. Это обстоятельство необходимо учитывать при проведении АВ.
Наряду с приведенными выше данными о местоположении новых ячеек в многоячеистом облаке практическое значение имеет также информация о временном интервале At, через который появляется новая ячейка. Анализ данных, относящихся к указанным дням с внутримассовым развитием облаков и прохождением ХФ, показывает, что в первом случае Ati = 17 мин и OAt = 12 мин, а во втором - At2 = 11 мин и с& = 9 мин. Очевидно, что дискретность информации MPJ1 по времени не должна превышать 5 мин, чтобы не пропустить момент появления новой конвективной ячейки.
Радиолокационный контроль результатов АВ на конвективные облака будет более определенным при наличии статистической модели таких облаков, характеризующей естественную их эволюцию и построенной на основе экспериментальных данных. Подобная модель должна отражать вероятные значения параметров радиоэхо облаков, развивающихся в данном регионе в различных метеорологических условиях. Однако привлечение данных об облаках, наблюдавшихся в течение длительного периода времени, приведет к значительному увеличению дисперсии параметров модели, которая может не позволить обнаружить результат воздействия на фоне естественных вариаций этих параметров. Для уменьшения дисперсии параметров такой модели в качестве исходного материала были рассмотрены отдельные КЯ, классифицированные по группам (см. раздел 4.2) на грозовые и ливневые.
Достаточно простую модель ячейки в стадии максимального развития можно построить, рассмотрев повторяемость значений отражаемости на различных высотах. Статистическая обработка данных дает возможность определить вероятности роста Z в ячейке до некоторого заданного уровня (Zj), а также появления отражаемости Z,- на высоте Н,-. С учетом принятой классификации ячеек проведена обработка данных наблюдений 25.07.76.
Интегральные распределения максимальных значений отражаемости в ячейках указанных групп на различных высотах (3, 5, 7, 9 и 11 км) приведены на рис. 5.5. Из этих распределений можно установить: какая отражаемость будет наблюдаться в ячейках на различных высотах в 50, 75 и 90 % случаев (пересечение по горизонтали); какова вероятность появления отражаемости Zj на высоте Hj (пересечение по вертикали).
Здесь видно, что в грозовых ячейках распределения Z имеют близкие средние значения и наименьшее рассеивание на Н = 3-5 км, в ливневых - минимальное рассеивание Z наблюдается только на Н = 3 км. В грозовых ячейках подобие распределений Z на высотах 3 и 5 км позволяет предположить, что размеры и фазовый состав частиц осадков в таких ячейках на стадии максимального развития мало изменяются в слое от Ht = 0С до 5 км (в ливневых облаках этого нет).
Вертикальные профили отражаемости ячеек, построенные по медианным значениям Z на НІ, приведены на рис. 5.5д. Видно, что в период максимального развития грозовые и ливневые ячейки имеют существенно отличающиеся вертикальные профили отражаемости. Так, у грозовых ячеек Hz Макс составляет 5 км, а у ливневых - смещена в нижнюю часть облака.
Наряду с полученными данными о распределении отражаемости на различных высотах практическое значение имеет также информация об изменении по вертикали местоположения зоны ZMaKc- Измерение Z на 5 уровнях высоты позволили определить HzMaKc = f (t) в течение