Атмосферные осадки из конвективных облаков и их искусственное регулирование на Северном Кавказе

Актуальность проблемы. В настоящее время к решению теоретических и практических задач искусственного увеличения осадков в интересах народного’хозяйства привлечены многие научно-исследовательские и производственные организации Росгидромета и других министерств и ведомств, в том числе АН стран СНГ. Среди них ДАО, УкрЩШМИ, ЗакНЖМ, САНИИ, ГГО, ИПГ, ВГИ, военизированные службы АВ Молдавии, Грузии, Узбекистана, Украины.

В целом, выполненные обширные теоретические и экспериментальные исследования, позволили приступить в начале 80-х годов к опытно-производственным работам по искусственному увеличению осадков из зимних слоистообразных и конвективных облаков летнего и переходных сезонов года, В том числе, на Украине — на площади 500 тыс, га, в Грузии — 300 тыс. га, Узбекистане — 100 тыс. га, Молдавии. — 2001 тыс. га, России — ?500 тыс. га.

В мире насчитывается несколько десятков научно-исследовательских и оперативных проектов по искусственному регулированию осадков, проводимых в различных странах мира — Австралии, США, Канаде, Израиле, Италии, Индии, Китае, что свидетельствует о значительном интересе к проблеме и ее практической значимости.

Анализ проектов по ИУО показывает, что в работах по активному воздействию имеется ряд нерешенных проблем, относящихся к планированию экспериментов, статистической оценке их результатов, а также к выбору ситуаций, благоприятных для воздействия.

Рассмотренные вопросы иллюстрируют то положение, что существуют факторы, действие крторых до настоящего времени все еще не ясны, -но тем не менее, они влияют как на сам эффект воздействия, так и на оценку его величины. Главная трудность заключается в том, что осадки подвержены значительным естественным пространственно-временным колебаниям и задача оценки эффекта воздействия сводится к выделению малых возмущений на фоне значительных естественных вариаций. Кроме того, все исследования в области ак тивных воздействий носят региональный характер и дальнейший успех в решении этой проблемы будет зависеть от того, насколько полными будут наши знания процессов облакои осадкообразования в различных регионах мира.

Решение этих проблем, разработка методов искусственного регулирования осадков на значительных территориях (более 2 млн. га), а также обобщение результатов научно-производственных работ по ИУОА выполняемых о 1986 г. на-Северном Кавказе, являются темой диссертации.

Целью работы является получение и обобщение экспериментальных данных об облачности, пригодной для искусственного увеличения осадков, статистический анализ далных о режиме осадков опытных и контрольных территорий в годы проведения ИУО и за полувековой период до них, разработка комплекса оборудования самолетов-метеолабораторий, включающего средства измерения термодинамических и микрофизических параметров облаков, а также средства активного воздействия, проведение натурных экспериментов по измерению параметров конвективных облаков при естественном развитии и после воздействия кристаллизующими реагентами, разработка методов оценки физической' и экономической эффективности работ по ИУО на Северном Кавказе.

Научная новизна работы.' В диссертации впервые получены следующие результаты:

1. Временное распределение типов облачности, определяющих выпадение конвективных осадков на Северном Кавказе.

2. Установлены пространственно-временные (сезонные) колебания конвективных осадков на Северном’Кавказе, определена их цикличность .

3. Разработаны технология, технические средства воздействия и контроля результатов работ по искусственному увеличениюосадков. Определены критерии пригодности облаков для воздействия с целью ИУО. Дана классификация облачности как объекта воздействия.

4. Проведен комплексный анализ характеристик облаков и осадков при естественном развитии и после воздействия на них кристаллизующими реагентами. •.

5. Получены аналитические решения моделей развития конвекции, позволяющие оценить изменение высоты верхней границы облака, вызванное воздействием, и установить соответствующее увеличение интенсивности осадков. На основании-:расчетов впервые введено понятие критической водности, являющейся критерием устойчивости облака к активным воздействиям.

6. Предложены статистические методы оценки количества дополнительных осадков, полученных за счет активного воздействия на облачность.

7. Разработана физико-статистическая модель «урожай-осадки» для засушливых районов Северного Кавказа, позволившая рассчитать экономическую эффективность работ по ИУО. Практическая ценность работы. Исследования,'результаты которых вошли в диссертацию, были выполнены в соответствии о общегосударственными научно-техническими программами ГКНТ, планами НИР и ДНТП Росгидромета.

Результаты исследований облачных процессов, комплекс средств воздействия и контроля АВ внедрены (имеются 3 акта внедрения) с 1986 года для выполнения производственных работ по искусственному увеличению осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край, Ростовская область, Республика Калмыкия). Средний ежегодный «экономический эффект этих работ составляет приблизительно 200 тыс. тонн дополнительного урожая зерновых культур.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на семинарах и итогоеых сессиях Ученого совета ВГИ, на Проблемных советах Росгидромета, Всесоюзных семинарах по физике облаков и активным воздействиям на них (Нальчик, 1987, 1989, 1991 гг.), на Всесоюзных семинарах по планированию и оценке работ по активным воздействиям (Тбилиси, 1986 г., Ставрополь, 1990 г.), на VI Международной конференции ВМО по модификации погоды (Пестум, Италия, 1994 г.), на XII Международной конференции по физике облаков и осадков (Цюрих, Швейцария, 1996 г.). По теме диссертации опубликовано 62 публикации (4 из них опубликованы в центральных научных изданиях, 12 статей опубликовано за рубежом), получено 10 авторских свидетельств на изобретения и патенты.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы.

Оценка результатов экспериментов по искусственному увеличению осадков (ИУО) является сложной проблемой. Сложность заключается в том, что эффект воздействия (дополнительное количество осадков) меньше естественных вариаций осадков. Задача, тем самым, сводится к оценке малых возмущений, вызванных воздействием, на фоне большой изменчивости осадков. В связи с этим при разработке метода оценки физического эффекта возникли несколько направлений, отличающихся друг от друга методом прогнозирования естественного хода значений параметров облаков и осадков.

Одним из наиболее простых методов, применявшихся при оценке физического эффекта воздействия на облака с целью ИУО в Ставропольском крае, является метод климатического среднего. Сравниваются отклонения от нормы (среднемноголетнего значения) осадков на контрольной (КТ) и опытной (ОТ) территориях. Методом климатического среднего получено, что дополнительное количество осадков на ОТ в среднем за год за 9 лет проведения АВ составило 10 мм (на 10 -ти процентном уровне значимости).

Недостатком метода климатического среднего является предположение о равенстве отклонений от нормы на ОТ и КТ.

Начиная с 1986 г. для оценки физического эффекта воздействия на облака с целью искусственного увеличения осадков на территории Ставропольского края применялся регрессионный метод. На материале многолетних данных об осадках на ОТ и КТ устанавливалась регрессионная связь между ними.

Из анализа данных по осадкам за годы до начала работ по ИРО на Северном Кавказе (с 1936 по 1985 гг.) было получено уравнение регрессии между осадками КТ (0,к) и ОТ (й0), коэффициент корреляции г=0. 82.

Метод регрессии показал среднегодовое увеличение осадков Д0.=16 мм на 5% уровне значимости для условий Ставропольского края метод контрольных территорий (метод регрессий) дает удовлетворительные результаты.

Для оценки физического эффекта воздействия при искусственном увеличении осадков на территории Северного Кавказа наряду с методом контрольных территорий начиная с 1990 года применялся радиолокационный метод. Преимуществом радиолокационного метода является то, что все осадки из облаков, на которые проводились АВ фиксируются и не зависят от густоты расположения осадкомерной сети. На имеющемся экспериментальном материале были установлены корреляционные связи между интенсивностью осадков Д1 и изменением радиолокационной отражаемости 2 и высоты верхней границы облака ДН для различных типов облаков в результате воздействия. При увеличении высоты облака на ДН = 1 км относительное увеличение интенсивности осадков составляет 30%. При этом, чем больше интенсивность осадков (I), тем большее приращение интенсивности осадков можно вызвать в результате воздействия. Это говорит в пользу того, что объектами воздействия должны быть не кучевые облака, а кучево-дождевые с достаточной интенсивностью осадков. Эксперименты также показали, что при воздействии на кучевые облака при значительном относительном увеличении осадков при засеве абсолютное увеличение их невелико.

Широкий диапазон возможных эффектов, которые могут иметь место при активных воздействиях в соответствии с нашими представлениями означает, что если существуют эффекты действия засева облаков на осадки на больших расстояниях, то они должны быть как одного, так и другого знака. В одних случаях они приведут к увеличению осадков, в других — к снижению или, может быть, к перераспределению с уменьшением выпадения дождя в одних точках и с увеличением — в других.

Ежегодное влияние работ в Ставропольском крае по ИУО на прилегающие районы неоднозначно. Оно зависит от характеристик влажных атмосферных процессов, проходящих в регионе. В отдельные годы на прилегающих площадях косвенный эффект может быть больше, чем на самой территории, подверженной активным воздействиям. Выявленные эффекты необходимо учитывать при планировании работ по активным воздействиям.

Каждый эксперимент по воздействию, как правило, уже на стадии планирования ориентируется на конкретную отрасль производствапотенциального потребителя его результатов. Это в значительной мере определяет план эксперимента, в первую очередь, выбор района и сезон работ. Главным потребителем дополнительных осадков является сельское хозяйство.

Оценка влияния воздействия на условия произрастания сельскохозяйственных культур относительно легче в сравнении со случаем естественных экосистем (в частности для целей гидроэнергетики, ко-мунального хозяйства и т. д.) ввиду простой структуры сельскохозяйственных экосистем (единичная культура на поле) и наличия такого комплексного показателя состояния экосистемы, как урожайность. Отмеченные обстоятельства наряду с прямыми оценками дяют возможность разработки достаточно совершенных моделей явления.

Путь решения данной задачи следующий. По материалам полевых наблюдений за период без воздействия строится статистическая модель урожая, в которую в качестве независимых переменных в числе других входят погодные факторы, в частности количество осадков. Варьированием последнего в модели оценивается возможное изменение урожая при воздействии. Таким образом, задача оценки экономической эффективности воздействия тесно связана с задачей прогнозирования урожаев сельскохозяйственных культур.

Для того, чтобы оценить экономический эффект воздействия необходимо знать ожидаемую урожайность в год проведения АВ. Для этого применялся метод контрольных территорий. Агрометеорологический анализ Ставропольского края позволил разбить территорию края на две зоны: влагообеспеченную и засушливую. Затем были установлены корреляционные зависимости между осадками и урожайностями обоих зон.

Эффект воздействия зависит от того в какой год по степени засушливости проводятся АВ. Для прогноза засушливости сезона нами проводились исследования цикличности хода осадков и урожайности, а также связи этих величин (а также ГТК) с солнечной активностью. Знание степени засушливости сезона позволяет правильно выбрать стратегию воздействия.