Анализ и прогноз пространственно-временного распределения опасных метеорологических процессов на юге европейской части России и разработка мероприятий по снижению риска их развития

Многие погодные явления по своей интенсивности, времени и месту возникновения могут нанести значительный ущерб отдельным отраслям хозяйства и представляют угрозу безопасности жизнедеятельности. Являясь климатическими экстремумами, они значительно меняют режим погоды региона. На юге европейской части России наиболее часто отмечаются такие опасные метеорологические явления как сильные ветры, общие и низовые метели, грозы, град, гололед, изморозь, шквалы и др.

Основное внимание в работе уделено грозам, граду, ливням и связанным с ними температурно-ветровым режимом.

Актуальность темы

исследования. В настоящее время общепризнанным является факт активизации на юге европейской территории России особо опасных стихийных явлений (грозы, град, паводки и др.), вызванной потеплением климата. С этими явлениями связан рост случаев катастрофических селей, оползней, затоплений сельхозугодий, деградации ледников, прорыва приледниковых озер и т. д.

Интенсивные грозо-градовые процессы, и связанные с ними наводнения, сели, градобития, повреждения электрических систем и оборудования и др., приводят к большим экономическим потерям, и, нередко, к гибели людей. Поэтому, проблема снижения риска чрезвычайных ситуаций, вызванных стихийными явлениями погоды, является достаточно актуальной, как в нашей стране, так и за рубежом.

Безопасность жизнедеятельности человека и защита различных объектов от воздействия стихийных явлений во многом определяются своевременным обнаружением местоположения опасных явлений и контролем их состояния.

Большое значение для своевременного обнаружения и идентификации опасных природных явлений, и принятия мер защиты от них (в том числе и методами активного воздействия), имеют системы раннего предупреждения и средства дистанционного зондирования облачной атмосферы.

Существующие методы контроля и оповещения о развитии опасных стихийных явлений основаны либо на визуально-слуховом методе (дежурство на метеостанциях), либо на показаниях метеорологических радиолокаторов. Оба метода, хотя и широко применяются, но имеют ряд существенных недостатков: ограниченность территории контроля (визуально-слуховой до 13.20 км, радиолокационный до 100.200 км);

— недостаточная информативность (отсутствие в получаемой информации данных об электрических и микрофизических процессах в контролируемых областях атмосферы);

— зависимость полученной информации об атмосферных процессах от длины волны применяемого радиолокатора;

— большие погрешности при определении временных интервалов развития атмосферных процессов;

— ограниченные возможности прогнозирования опасных явлений погоды.

В связи с этим, совершенствование методов прогнозирования и контроля развития опасных явлений погоды на основе детального изучения их взаимосвязанных и взаимообусловленных параметров стало в настоящее время актуальной научной проблемой.

К числу таких методов относятся методы, основанные на использовании электрических параметров — предвестников микроструктурных изменений в облаках.

Фактически, грозовые процессы являются предикторами стадий и тенденций развития опасных гидрометеорологических явлений в атмосфере. К таким предикторам можно отнести: возникновение в облаке межоблачных и облако — земля разрядов, интенсивность разрядов в единицу времени, значения амплитуды тока молний, время нарастания тока, знак разряда молнии, местоположение разрядов в облаке, и т. д. Например, резкое увеличение интенсивности внутриоблачных разрядов в облаке (до 60 р/мин) свидетельствует о том, что через 10−15 мин возникнет торнадо или сформируются шквалы, опасные для авиации. Реверс полярности молний, 5 преимущественно с отрицательной на положительную, свидетельствует о начале периода формирования градовых частиц в облаке и начале их выпадения, а, после окончания градоопасной стадии, полярность восстанавливается.

В связи с этим, в диссертационной работе проведены комплексные исследования микрофизических и электрических процессов в атмосфере с использованием активно-пассивного комплекса геофизического мониторинга ФГБУ «ВГИ», состоящего из метеорологического радиолокатора и автоматического грозопеленгатора — дальномера Ь8 8000, работа которого в сопоставлении с данными сети пунктов наземных метеорологических наблюдений позволит существенно повысить качество диагноза опасных природных явлений.

Опыт практического использования составных частей активно-пассивной информационно-измерительной системы ФГБУ «ВГИ» как в России, так и за рубежом, достаточно обширен (Аргентина, Болгария, Молдова и др.), а, научно-технический уровень выполняемых работ (ФЦП, гранты Роснауки и др.), многие из которых уже опубликованы в ведущих журналах РФ, полностью подтверждает их соответствие приоритетным направлениям науки, технологий и техники.

Важной задачей является поиск взаимосвязанных и взаимоопределяющих предикторов развития опасных атмосферных явлений и разработка на этой основе методов контроля тенденций их развития. Их создание позволит в значительной мере повысить надежность и своевременность штормовых предупреждений, и обеспечит безопасность функционирования погодозависимых секторов экономики (городского хозяйства, транспорта, особенно воздушного и др.).

Объектом исследования являются метеорологические явления — грозы, ливни, град, развивающиеся на территории юга европейской части России, которые характеризуются разнообразием условий возникновения и развития.

Небольшие перепады высот благоприятствуют свободному вхождению сюда 6 различных воздушных масс. Близость морских акваторий, имеющих отличные от суши термические особенности, обусловила более влажный режим региона. Почти широтное расположение Кавказского хребта также оказывает влияние на особенности развития погодных явлений в регионе.

Цель диссертационной работы: Анализ и прогноз на основе современных математических методов пространственно-временного распределения электрических характеристик и режима осадков на юге европейской территории России.

В соответствии с поставленной целью, сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Анализ физико-географических условий юга европейской территории России, определяющих развитие атмосферных процессов и метеорологических явлений в регионе.

2. Исследование влияния орографии и солнечной активности на грозовые процессы и параметры разрядов молний.

3. Выявление особенностей пространственно-временной динамики грозовой активности и параметров молний.

4. Создание базы данных, характеризующих атмосферные процессы, метеорологические явления и производство сельскохозяйственной продукции в различных зонах юга европейской части России.

5. Создание карт (в том числе электронных) пространственно-временных изменений режима атмосферных осадков, грозовой активности и параметров молний в различных областях юга европейской части России.

6. Анализ спектральной структуры и фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих режимы атмосферных осадков и грозовой активности на юге европейской части России.

7. Построение моделей динамики временных рядов метеорологических параметров с учетом скрытых в них периодичностей.

8. Исследование корреляционных зависимостей между урожайностью сельскохозяйственных культур и метеопараметрами, и прогноз урожайности с использованием значений метеопараметров.

9. Прогноз метеопараметров, характеризующих грозовую активность атмосферы.

10. Разработка рекомендаций по адаптации производства сельскохозяйственной продукции к изменениям агроклиматических характеристик региона.

Материалы и методы исследования. В основу диссертации положены материалы многолетних (с 1930 г. по настоящее время) метеонаблюдений более чем 80 метеорологических станций на юге европейской части России, инструментальных измерений параметров грозо-градовых процессов на полигонах ФГБУ «ВГИ» в различные годы, а также личные наблюдения автора. Источниками данных также являлись климатические справочники и ежемесячники, выпускаемые в ВНИИ-ГМИ МЦД (г. Обнинск), справочные данные МЧС России по Северному Кавказу, электрические характеристики гроз, полученные в ФГБУ «ВГИ» с использованием грозопеленгационной системы LS 8000.

Анализ данных по природно-климатическим характеристикам проводился с применением методов математической статистики (с применением программного обеспечения Mathcad и SPSS 9.0). При проведении исследований использовались методы системного анализа, геоинформационного моделирования, математического анализа.

Научная новизна исследования. Научная новизна работы заключается в том, что для юга европейской территории России:

• впервые исследованы и уточнены особенности возникновения опасных атмосферных метеорологических явлений, выявлена зависимость между отдельными географическими показателями и характеристиками параметров грозо-градовых явлений, определены коэффициенты их корреляционных связей;

• впервые на основе комплекса метеопараметров, характеризующих грозовую деятельность, проведено районирование территории юга европейской части России, и построены карты (в том числе электронные) территориального распределения гроз;

• проведен анализ спектральной структуры и фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих грозо-градовые процессы на юге европейской части России.

Впервые проведены исследования взаимосвязей между различными геофизическими характеристиками и объектами:

— грозовыми и градовыми облаками;

— солнечной и грозовой активностью;

— урожайностью различных сельхозкультур и метеопараметрами.

Выявлены особенности динамики грозовой активности на основе районирования территории по грозопоражаемости и анализе временных рядов метеорологических параметров, характеризующих ее.

Построены модели прогнозирования изменений температуры, количества осадков и др.

Теоретическая и практическая значимость работы

• Результаты районирования территории Северного Кавказа по частоте появления опасных гидрометеорологических явлений позволят учитывать риски, связанные с ними, в стратегиях социально-экономического развития региона.

• Полученные в работе данные измерений параметров молнии Ростовской области (значений токов молний различной полярности, времени нарастания тока и грозопоражаемости территории молниями) были использованы НПО «Стример» (г. Санкт Петербург) для совершенствования системы электроснабжения области.

• Статистические данные «характеристик грозовой деятельности» для всей территории Ростовской области, которые объединяют климатические и физико-географические характеристики гроз (число дней с грозой, продолжительность существования грозовых явлений и их интенсивность, число грозовых разрядов и их тип, удельная поражаемость данной территории молниями и т. д.) использованы в ТРТИ ЮФУ (г. Таганрог) при выполнении НИР.

• Полученные автором значения параметров молний и грозоразрядных характеристик территории Северного Кавказа использовались для усовершенствования молниезащитных мероприятий при реконструкции электроснабжения Черноморского побережья России (2008 г.).

• Разработанная в рамках настоящей диссертационной работы методика прогноза урожайности сельскохозяйственных культур, основанная на анализе и прогнозе динамики временных рядов метеопараметров, успешно использовалась администрацией Баксанского района Кабардино-Балкарской республики при организации сельхозпроизводства на территории района, что привело к заметному повышению устойчивости производства сельскохозяйственной продукции.

• Полученные результаты можно использовать для валидации математических моделей, учитывающих процессы осадкообразования и электрические процессы.

• Некоторые результаты работы использованы в ФГБУ «ВГИ» при выполнении НИР по федеральным целевым программам:

— «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007;2013 годы». Госконтракт 14.740.11.0643 «Дистанционное зондирование атмосферы и облаков активно-пассивными радиотехническими средствами»;

— «Научные исследования и разработки в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды на 2008;2010 годы». Госконтракт 02.740.11.0694 «Распространение и опасность проявления природных процессов и явлений в Северо-Кавказском федеральном округе России».

• Обобщенные результаты систематических многолетних визуально-слуховых и инструментальных наблюдений за грозами Северного Кавказа реализованы в общеобразовательных процессах.

В Кабардино-Балкарском государственном университете на физическом факультете:

— для практического обучения студентов в рамках магистерской программы «Физика атмосферы и околоземного космического пространства» (специальность 10 700.68 Физика);

— в дипломных проектах по исследованию облачных структур с применением радиолокационной, ИК и СВЧ техники;

— в научно-исследовательских работах, выполняемых на факультете.

В Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии:

— для практического обучения студентов в рамках бакалавриата и магистратуры по дисциплинам: «гидрология, климатология и метеорология», «экология землепользования», «картография», «природные техногенные комплексы и основы природообустройство» (специальности 12 700 «Землеустройство и кадастры" — 280 100.62 «Природообустройство и водопользование»);

— в дипломном проектировании и в научно-исследовательских работах, выполняемых по перечисленным направлениям подготовки.

• Некоторые результаты диссертационной работы использованы в работе научной школы ВГИ «НШ-1793.2003.5. Результаты исследований процессов облакои осадкообразования, атмосферного и грозового электричества на основе дистанционного зондирования атмосферы и облаков активно-пассивными радиотехническими средствами» удостоены гранта Президента России в 2003 г.

• Результаты выполненных работ могут быть использованы для создания Российской системы прогноза и местоположения грозовых разрядов с целью обеспечения гидрометеорологической безопасности отраслей экономики и социальной сферы. Также они могут быть использованы для совершенствования методов и средств контроля опасных явлений погоды.

• В дальнейшем с использованием результатов диссертации могут выполняться следующие работы:

— разработка метода искусственного инициирования молний с помощью наземных и бортовых средств воздействия на электрические процессы;

— разработка и внедрение аппаратуры и методики оценки физической эффективности активных воздействий на облака с различными целями.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния физико-географических и орографических особенностей юга европейской части России на развитие атмосферных процессов и метеорологических явлений в регионе.

2. База данных, характеризующих атмосферные процессы, метеорологические явления и производство сельскохозяйственной продукции в регионе.

3. Результаты анализа и соответствующие карты, в том числе и электронные, пространственно-временных изменений режима атмосферных осадков, грозовой активности и параметров молнии в различных областях юга европейской части РФ.

4. Данные о параметрах молнии и грозовой активности для инженерных расчетов молниезащиты объектов на территории юга европейской части России.

5. Закономерности взаимосвязи сезонных изменений солнечной активности и грозовых явлений.

6. Результаты анализа спектральной структуры и фрактальных свойств временных рядов метеопараметров, характеризующих режим атмосферных осадков и грозовой активности на исследуемой территории.

7. Модели и результаты прогноза метеопараметров, характеризующих режим осадков и электрическую активность атмосферы в различных частях юга европейской территории РФ.

8. Взаимосвязь между агрометеорологическими факторами и продуктивностью сельскохозяйственных культур в различных частях юга европейской территории РФ.

9. Модель и рекомендации по адаптации производства сельскохозяйственной продукции к пространственно-временной динамике агрометеорологических факторов на юге европейской части России.

Личный вклад автора. Автору принадлежит основная идея работы, постановка задач исследования и выработанные алгоритмы для решения этих задач.

Совместно с соискателями, у которых автор диссертации осуществлял научное руководство, проведен сбор данных и на их основе создана база данных для анализа динамики их временных изменений.

Анализ влияния метеоусловий на производство сельхозкультур и их прогноз проведены автором с участием научного консультанта.

Использованный в диссертации экспериментальный материал собран лично автором или получен при непосредственном участии автора в ходе выполнения различных НИР и грантов.

В результате анализа и обобщения, полученных данных автором:

— с помощью аппаратно-программных средств уточнены некоторые закономерности климатических и физико-географических характеристик гроз и параметров молнии на территории Северного Кавказа;

— с помощью предложенной в диссертации методики обоснован метод прогноза метеорологических параметров и выделения скрытых периодичностей во временных рядах;

— с применением статистического анализа получены корреляционные взаимосвязи между различными характеристиками — урожайностью сельскохозяйственных культур и метеопараметрами, грозовой и солнечной активностью, электрическими параметрами и градообразованием в облаке;

— средствами ГИС технологий построены карты пространственно-временной динамики по территории юга европейской части России различных характеристик грозовой активности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью аналитических и численных методов исследования, большим массивом информационной базы, в качестве которой послужили ряды метеорологических наблюдений более 80 метеостанций Северо-Кавказского УГМС, метеорологические ежемесячники, архивные данные ФГБУ «ВГИ», сведения, опубликованные в периодических научных журналах и научной литературе. Справочные, информационные и фондовые данные обобщены автором в виде базы данных, в которую были включены также инструментальные данные грозорегистратора LS 8000.

Выполненные теоретические расчеты значения электрических токов и время их формирования подтверждены экспериментальными измерениями.

Апробация работы. Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на:

— Международной конференции «Системные проблемы надежности математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1998 г);

— Международной конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб стран СНГ (Москва, 1999 г);

— Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 70- летию Эльбрусской комплексной экспедиции АН СССР (Нальчик, 2005 г.);

— VIII, IX конференциях молодых ученых КБНЦ РАН (Нальчик, 2005, 2006 г.);

— VI-ой Всероссийской конференции по атмосферному электричеству (Нижний Новгород, 2007 г.);

— П-ой Международной конференции «Моделирование устойчивого регионального развития» (КБНЦ РАН, Нальчик, 2007 г.);

— Х1-ой Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование» (Томск, 2008 г.);

— У1-ой Международной конференции «Порядковый анализ и смежные вопросы математического моделирования» (Владикавказ, 2008 г.);

— IX Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Москва, 2008 г.);

— Международной научно-практической конференции: «Инженерные системы-2009» (Москва, 2009 г.);

— Международном Российско-Абхазском симпозиуме «Уравнения смешанного типа и родственные проблемы анализа и информатики» и VII Школы молодых ученых «Нелокальные краевые задачи и проблемы современного анализа и информатики» (Нальчик, 2009 г.);

— УН-ой Международной научной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию Адыгейского государственного университета, «НАУКА. ОБРАЗОВАНИЕ. МОЛОДЕЖЬ» (Майкоп, 2010 г.);

— Международной научно-практической конференции «Проблемы развития современного общества. Экономика. Социология. Философия. Право» (Саратов, 2010 г.);

— Х1У-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (Нижний Новгород, 2010 г.).

Публикации. Некоторые результаты диссертационной работы использованы в научно-методических разработках и учебных пособиях автора.

Основные результаты работы опубликованы в 68 работах, в том числе в 2 монографиях и в 16 научных статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций по данной специальности.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 312 страниц, включая 77 рисунков,

Результаты исследования отражены в работах:

— Разумов В. В., Аджиев А. Х., Аджиева A.A. и др. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций. Российская Федерация/ под общ. ред. С. К, Шойгу.- М.: Дизайн. Информация. Картография, 2010, — 696 с.

— Ажиев А. Х., Аджиева A.A., Думаева JI.B. Определение динамических характеристик токов молниевых разрядов. — Известия Высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Естественные науки № 6, 2011 г. — С.27−30.

— Аджиева A.A., Хоргуани Ф. А. Грозы на Северном Кавказе и солнечная активность. Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы гидрометеорологии и экологии», посвященная 90-летию со дня рождения акад. Г. Г. Сванидзе, Тбилиси, 27−29 сентября 211 г. -С.48−49.