Влияние термических и динамических факторов атмосферы на эффективность искусственного увеличения осадков из конвективных облаков

• Автор: Закинян, Роберт Гургенович
• Шифр специальности: 11.00.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Ставрополь
• Количество страниц: 192 с.

Содержание

Введение
Глава 1. Аналитический обзор математических методов оценки
эффективности активных воздействий на облака в работах по искусственному увеличению осадков
1.1.Основные результаты проектов по искусственному увеличению осадков (ИУО)
1.2. Физические основы искусственного увеличения осадков
1.3. Физико-статистический подход к задаче оценки физического эффекта воздействия в работах по ИУО
1.4. Математические модели облаков, применяемые в работах по ИУО
1.5. Характеристики приземного слоя атмосферы, влияющие на развитие облачной
конвекции
1.6. Изменение характеристик перемещающейся по вертикали массы влажного воздуха
1.7. Критерии устойчивости атмосферы в адиабатической модели конвекции. Колебательные процессы в атмосфере
1.8. Анализ существующих моделей конвекции
1.9. Влияние вовлечения окружающего воздуха на изменения параметров облака
1.10. Пробивание задерживающих слоев конвективными облаками
Глава 2. Оценка физической и экономической эффективности работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае
2.1. Оценка физического эффекта воздействия работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае. Режим осадков опытных (ОТ) и контрольных (КТ) территорий
2.2. Физико-статистическая модель “урожай-осадки” для территории Ставропольского края
2.3. Оценка экономической эффективности работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае
Глава 3. Исследование влияния параметров подоблачного слоя атмосферы на эффективность ИУО
3.1. Влияние характеристик приземного слоя на развитие облачной конвекции
3.2. Учет влияния орографии на естественное развитие конвективных облаков при оценке эффекта воздействия в работах по ИУО в Ставропольском
крае
3.3. Облачная конвекция при постоянном влажноадиабатическом градиенте температуры
3.4. Оценка эффекта воздействия в адиабатических моделях конвекции
3.5. Условие возникновения конвекции
3.6. Колебательные режимы в атмосфере
Глава 4. Исследование влияния вовлечения окружающего воздуха в облако на эффективность ИУО
4.1. Влияние вовлечения окружающего воздуха на динамику конвективного потока
4.2. Оценка эффекта воздействия с учетом перемешивания с окружающим воздухом
4.3. Частные аналитические решения классической задачи теории конвекции
4.4. Влажнонеадиабатическая конвекция термика при постоянном показателе вовлечения
4.5. Неадиабатическая конвекция сухого (или влажного ненасыщенного) воздуха
при переменном показателе вовлечения
4.6. Анализ устойчивости атмосферы в неадиабатической модели конвекции. Колебательные процессы в атмосфере
4.7. Оценка эффекта воздействия в неадиабатических моделях конвекции
Глава 5. Метод расчета водности и количества осадков
5.1. Метод расчета водности и количества осадков по данным радиозондирования
5.2. Определение уровня конвекции и максимальной скорости восходящих потоков во влажноадиабатической модели конвекции
5.3. Определение оптимального уровня внесения реагента
5.4. Уточнение критерия устойчивости атмосферы в методе слоя с учетом нелинейного профиля температуры воздуха, поднимающегося по влажной адиабате
Глава 6. Оперативная одномерная модель конвективного облака, используемая в работах по искусственному увеличению осадков
6.1. Критический радиус зародыша новой фазы
6.2. Начальная стадия конденсации
6.3. Скорость падения частицы осадков с учетом конденсации
6.4. Расчет коэффициента турбулентности
6.5. Система уравнений конвективного облака
6.6. Метод оценки эффекта воздействия при проведении работ по ИУО с применением радиолокационных данных
6.7. Исследование возможности пробивания задерживающих слоев конвективными облаками в естественных условиях и в результате
активного воздействия
Заключение
Список литературы
Приложение

Введение
В настоящее время в мире осуществляется около 60 научно-исследовательских и оперативных проектов по искусственному увеличению осадков (ИУО), проводимых в различных странах мира - России и бывших республиках СССР, Австралии, США, Канаде, Израиле, Италии, Индии, Китае, - что свидетельствует о значительном интересе к проблеме ИУО и ее практической значимости [15, 16, 22, 27, 30, 31, 32, 54, 65-71, 73, 74, 76, 86-87, 97, 107, 123, 124, 126, 127, 131, 136, 138, 147, 149-159, 163-192].
Уже в первых экспериментах по ИУО обнаруживались как положительные опыты, приводящие к увеличению осадков, так и отрицательные, приводящие к уменьшению осадков. Некоторые же эксперименты свидетельствовали об отсутствии какого-либо эффекта [149,172,173,180,181]. Такое противоречие в выводах об эффекте воздействия поставило в тупик многих исследователей. Стали вызывать сомнения методы планирования экспериментов и используемые методы оценок результатов опытов по воздействию. Сложность заключается в том, что отсутствует модель облака, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать количество осадков, выпадающих из облаков без воздействия. Возникает вопрос о том, не является ли обнаруженное в опытах увеличение осадков следствием только лишь изменчивости естественных процессов осадкообразования [115].
Анализ проектов по ИУО показывает, что в работах по активному воздействию (АВ) имеется ряд нерешенных проблем, относящихся к планированию экспериментов, статистической оценке их результатов, к выбору ситуаций, благоприятных для воздействия. То есть существуют факторы, действия которых до настоящего времени все еще не ясны и, 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, так называемых шумов.
Незнание факторов, влияющих на естественный ход параметров облака и изменчивость осадков может устранить рандомизация. Однако, статистические выводы, сделанные на основе рандомизации относятся лишь к обследованной совокупности экспериментальных единиц. То есть, если данное приращение осадков значимо в одном эксперименте, то отсюда не следует, что оно будет значимо в последующем [26, 57,115]. Кроме того, при применении статистических методов оценки эффективности воздействия возникает проблема множественности статистических выводов [65-70]. Она состоит в том, что из всего множества статистических методов всегда найдутся такие, которые дадут положительный эффект воздействия и такие, которые дадут отрицательный эффект воздействия. Выход из этой ситуации состоит в том, чтобы исходя из физических предпосылок, объявлять способы оценок до начала эксперимента.
Простейшим способом уменьшения изменчивости является классификация -подразделение выборки изучаемых облаков на группы более или менее однородные по некоторым признакам (внутримассовые и фронтальные облака; синоптическая ситуация; характерные параметры облака - высота, температура на нижней и верхней границах и т.д.) [66]. Однако и этот путь не устраняет неоднозначности в экспериментах, так как при этом выпадают из поля зрения физические факторы, влияющие как на развитие облачности, так и на результат воздействия.
При оценке эффекта воздействия на облака с целью ИУО на территории Ставропольского края с 1986 года применялся метод контрольных территорий. Данный метод основан на том, что по многолетним данным об осадках по наземной осадкомерной сети устанавливалась корреляционная зависимость между осадками

иного явления [108]. К числу наиболее информативных параметров конвекции, характеризующих прогнозируемое явление погоды, относятся уровень конвекции и максимальная скорость восходящих потоков. В литературе продолжаются дискуссии по определению указанных параметров [108]. Одни исследователи предлагают уровень конвекции находить графическим путем как точку пересечения кривой состояния, проведенной от уровня конденсации, с кривой стратификации. Другие исследователи считают данный способ физически необоснованным, так как уровню выравнивания температур в методе частицы соответствует уровень максимальных скоростей. Поэтому за уровень конвекции принимается уровень, где скорость восходящих потоков обращается в нуль. Графически это соответствует уровню, где площадь с положительной энергией неустойчивости равна площади с отрицательной энергией неустойчивости. Несовпадение экспериментально измеренных высот кучеводождевых облаков с расчетными по обоим методам связано с тем, что не учитывается вовлечение окружающего воздуха. Для совпадения расчетных высот с реально наблюдаемыми высотами облаков в практике прогнозирования параметров конвекции поступают следующим образом. Для мощных кучево-дождевых облаков верхняя граница в два раза выше уровня выравнивания температур. Это объясняется тем, что в центральной части мощных кучево-дождевых облаков можно пренебречь вовлечением и применить адиабатическую модель конвекции. Если эффектом вовлечения пренебречь нельзя, то за уровень конвекции принимается уровень выравнивания температур. Исходя из этого следует, что необходимо разработать метод расчета уровня конвекции и максимальных скоростей наиболее полно учитывающий физику конвективного облака.
В схемах прогноза конвективных явлений учитываются термодинамические параметры, характеризующие энергетический запас в средней тропосфере. Однако ни в одном из применяемых способов не учитывается энергетическое состояние подоблачного слоя атмосферы, оказывающего значительное влияние на развитие конвекции [110]. В то же время известно, что именно подоблачный слой с его влаго-запасом, мезоциркуляцией и влиянием инсоляции склонов определяет усиление или ослабление атмосферных процессов, их локализацию во времени и в пространстве, в то время как общий их характер обусловливается циркуляционными системами синоптического масштаба.
В [108-110] энергетическое состояние подоблачного слоя предложено учитывать с помощью комплексного параметра А5, который характеризует убывание удельной энергии неустойчивости поднимающейся единицы массы воздуха от поверхности земли до уровня конденсации, равное разности между полезной работой 5+, совершенной подъемной силой при перемещении единицы массы сухого воздуха от поверхности земли до уровня конденсации, и работой £_, затрачиваемой на испарение водяного пара при перемешивании поднимающегося воздуха с окружающим.
Полезная работа или кинетическая энергия основного вертикального потока воздуха в этом слое пропорциональна разности между значениями максимальной температуры воздуха, наблюдаемой за день tm, и температуры начала конвекции г0(при которой устанавливается сухоадиабатический градиент угв нижнем слое тропосферы) [110]. Данный способ вызывает следующее возражение: правомерно ли перегрев определять по данным одного радиозонда, репрезентативного как правило в радиусе 100 км. Поэтому необходимо разработать более обоснованный критерий, определяющий возможность развития конвекции, используя данные одного пункта радиозондирования.
Построение модели конвекции предусматривает, в первую очередь, расчет уровня конденсации. Правильное определение уровня конденсации оказывает существенное влияние на точность построения модели облачной конвекции. Это будет