CC BY
16
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАУКА. ИННОВАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ, №3, 2016
Петрунин A.M. [Petrunin, A.M.], Корнеев В.П. [Korneev V.P.], Колосков Б.П. [Koloskov В.Р.], Частухин А.В. [Chastukhin A.V.], Бычков A .A. [Bychkov А.А.], Ким Н.С. [Kim N.S.], Сергеев Б.Н. [Sergeev B.N.]
ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛЬДООБРАЗУЮЩЕГО РЕАГЕНТА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НАЗЕМНЫМИ АЭРОЗОЛЬНЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ «НАГ-07М»
Studies of ice-forming agent propagation in the boundary layer of the atmosphere under the action of ground-based NAG-07M aerosol generators
В статье описываются технические средства, методика проведения и результаты экспериментальных исследований распространения льдообразующего реагента в пограничном слое атмосферы при воздействии наземными аэрозольными генераторами НАГ-07М. Сравнение данных забора проб пробоотборником ABA 3-240-01 С, установленным на самолете Вильга-35А, и результатов расчета распространения аэрозоля с использованием трехмерной нестационарной численной модели «SeedDisp» показало, что: Зарегистрированная в атмосфере концентрация йодистого серебра была выше фоновых значений до высоты 1200 м на удалениях от 3 до 9 км от места установки генератора.Разработанная численная модель «SeedDisp» в целом качественно правильно описывает распространение аэрозолей йодистого серебра в пограничном слое и свободной атмосфере при воздействии наземными аэрозольными генераторами НАГ-07М. Так коэффициент корреляции измеренных самолётом и рассчитанных по модели значений концентрации частиц йодистого серебра в подоблачном слое превысил значение 0,7.
Ключевые слова: наземный аэрозольный генератор, засев облаков, распространение льдообразующего аэрозоля, численное моделирование, свободная атмосфера.
The paper describes the technical means, methods and results of experimental studies of the spread of ice-forming agent in the boundary layer of the atmosphere under the action of ground-based aerosol generator NAG-07M. Comparison of the data on sampling by an AVA 3-240-01S probe mounted aboard Vilga-35A aircraft with aerosol propagation calculations using a 3-D SeedDisp model, shows: 1. The concentration of silver iodide measured in the atmosphere was above background one to a height of 1200 m at distances of 3 to 9 km from the place of the generator installation. 2. The developed «SeedDisp» numerical model in general qualitatively correctly describes the distribution of silver iodide aerosols in the boundary layer and the free atmosphere under the action of ground-based aerosol generator NAG-07M. Thus, the coefficient of correlation of the measured and calculated by model values of the silver iodide particles concentration in sub-cloud layer exceeded the value of 0,7.
Keywords: Ground- based aerosol generator, cloud seeding, distribution of ice-forming aerosol, numerical simulation, cloudless atmosphere.
УДК 551.557.2; 551.557.4; 551.558.1; 551.559
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мировой практике активных воздействий (АВ) на облака с целью регулирования осадков и борьбы с градом широко используются наземные аэрозольные генераторы. Анализ состояния работ в области АВ на гидрометеорологические процессы с земли свидетельствует о том, что с помощью данного метода проводятся работы, как по искусственному увеличению осадков, так и по борьбе с градом (Бразилия, Франция и т.д.).
Несомненным достоинством доставки льдообразующего аэрозоля в облако при помощи наземных генераторов является их простота и относительная дешевизна по сравнению с самолетными и ракетно-артиллерийс-ким способами доставки аэрозоля. Использование наземных генераторов не требует создания на защищаемой территории сложной инфраструктуры, генераторы могут работать вблизи аэродромов, государственных границ, населенных пунктов.
Одновременно, следует отметить, что эффективность работы наземных генераторов напрямую зависит от орографии местности, от поля ветра в приземном слое и от восходящих потоков.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В этой связи, для оценки возможности применения наземных генераторов в любом регионе, для исследования распространения частиц реагента и выбора режимов работы генераторов, изучения особенностей размещения наземных генераторов с учетом орографии местности, для выбора траекторий полетов самолетов при проведении засева облаков, а также режимов воздействий при различных метеоусловиях, была разработана трехмерная нестационарная численная модель «8еесГО18р» [1, 3]. Созданная модель позволяет производить расчет переноса реагентов при воздействии на облака с помощью наземных и самолетных аэрозольных генераторов, использующих в качестве реагентов йодистое серебро, жидкий азот и гранулированную углекислоту. «8ессЮ|8р» позволяет определить, как осуществляется перенос реагента в приземном слое,
достигает ли реагент нижней границы облака, и какова при этом его концентрация.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Первые результаты сравнения результатов численного моделирования с данными, полученными в экспериментах по воздействию на облака с помощью наземных генераторов НАГ-07 и генераторов аэрозолей фейерверочного типа ГЛА-105 на полигоне Северо-Кавказской военизированной службы в 2009 и 2010 гг. показали, что созданное программное обеспечение перспективно для использования при планировании и проведении активных воздействий на облака [2, 3].
С целью подтверждения достоверности результатов расчетов с использованием трёхмерной нестационарной численной модели «SeedDisp», а также с целью проверки концентраций льдообразующего аэрозоля в пограничном слое атмосферы при воздействии разработанным в AHO «Агентство АТТЕХ» наземным аэрозольным генератором НАГ-07М (рис.1), использующим в качестве активных элементов генераторы льдообразующего аэрозоля АГ-1М, в мае 2015 г. были проведены эксперименты на испытательном полигоне «ФНПЦ «НИИ ПХ».
Основные технические характеристики НАГ-07М:
— время работы (по одному, по два активных элемента последовательно), ч: до 8
— высота постановки аэрозоля над землей, м: 3,5-5
— количество активных элементов, шт.: до 80
— система управления: опционально-дистанционное или пульт управления
— выход льдообразующего аэрозоля, 1/с (-6 °С): 0.6 х 1013
— суммарный выход льдообразующего аэрозоля с пироэле-мента (-6 °С) : 0,2 х К)' 4.
Рис. 1. Общий вид наземного аэрозольного генератора НАГ-07М с
установленными активными элементами «АГ-1М».
Для измерения содержания частиц йодистого серебра в атмосфере использовался прибор АВА 3-240-01С в комплекте со сменными фильтрами (рис. 2, б). Прибор был установлен на самолете «Вильга-
Рис. 2. Самолет Вильга 35А (а) с прибором для отбора проб возду-
ха АВА 3-240-01С (б).
35А» (рис. 2, а), оборудованном системой диспетчеризации для контроля траектории полета самолета с земли.
На полигоне был развернут пункт управления (ПУ) работами, обо-
рудованный системой диспетчеризации для контроля траектории полета самолета и связи с пилотом, и ноутбуком с установленной на нём программой SeedDisp для численного моделирования распространения льдообра-зующего аэрозоля в подоблачном слое с целью выбора вертикальных сечений для проведения отбора проб.
По данным наземных метеонаблюдений и радиозондирования атмосферы в день проведения испытаний с помощью модели SeedDisp рассчитывались поля концентрации частиц аэрозоля, создаваемые генераторами.
На основании результатов численного моделирования выбирались вертикальные сечения для проведения отбора проб аэрозоля и определялись координаты начала и окончания самолетных трасс отбора проб в вертикальных сечениях поперёк ветрового переноса аэрозоля (рис. 3).
Запуск генератора НАГ-07М производился в соответствии с результатами численного моделирования (определялось время работы генератора НАГ-07М, количество пироэлементов и периодичность их запуска).
Подъём самолёта в воздух производился по команде с ПУ с учетом времени подлета к зоне предполагаемого отбора проб.
По прибытию в зону отбора проб самолет занимал нижний эшелон полета в первом вертикальном сечении (рис. 3, б). При достижении точки начала отбора пробы включался пробоотборник. По достижению точки окончания отбора пробы на данном эшелоне пробоотборник выключался. Самолет делал разворот и заходил на высоту следующей трассы отбора проб. За это время оператор проводил замену фильтра в фильтродержате-ле. Процедуры повторялись до тех пор, пока не была обработана максимальная высота отбора проб, определенная по данным численного моделирования.
После окончания забора проб частиц реагента Agi в первом вертикальном сечении самолет переходил в точку начала отбора проб во втором сечении (рис. 3, б). Аналогичные процедуры повторялись для третьего вертикального сечения, перпендикулярного общему направлению ветрового переноса аэрозоля.
(б)
Рис. 3. Схема самолетного зондирования перпендикулярно обще-
му направлению ветрового переноса аэрозоля.
Отработанные фильтры после каждого отбора пробы маркировались и по завершению полетов передавались в лабораторию.
Во время работы на наземном ПУ вёлся журнал, в котором регистрировались:
— время начала и конца полета;
— время начала и конца для каждой линии измерений;
— координаты (широта и долгота) начала и конца каждой линии;
— высота каждой линии;
— скорость и направление ветра на каждой высоте по данным самолетных наблюдений.
Информация о координатах линий отбора проб бралась с установленной в пункте управления системы радиообмена данными «Земля-борт-Земля» (системы диспетчеризации).
В соответствии с программой исследований распространения реагента в подоблачном слое отбор проб при воздействии генератором НАГ-07М проводился 26 мая 2015 г. в вертикальных сечениях шлейфа льдооб-разующего реагента по трассам полёта самолёта перпендикулярно общему направлению ветрового переноса аэрозоля.
Воздействия НАГ-07М были начаты в 13 ч 25 мин. Поджиг активных элементов производился с 2-минутной периодичностью. При такой схеме поджига и времени горения одного пироэлемента 6 минут, через 4 минуты после начала работ, воздействия проводились с одновременным горением трёх пироэлементов и, при зарядке в генератор 60 пироэлемен-тов, продолжалось до 15 ч 31 мин.
Всего 26 мая 2015 г. отбор проб был выполнен в трёх вертикальных сечениях, отстоящих от пункта установки НАГ-07М на 3, 6 и 9 км (рис. 4). Отбор проб выполнялся на четырёх высотах - 300, 600, 900 и 1200 м.
Время 15 ч 35 мин
Засев 26/05/2015, 13:25-15:31, шаг по вертикали - 40 м, р/з 122 (6м/с) Поле концентрации реагента (мг/мЗ) (гор.сечение г =0,30 км отн.рельефа)
Рис. 4. Поля концентрации частиц реагента (мг/м3) в горизон-
тальном сечении на высоте 300 м относительно рельефа через 2 ч 10 мин после включения генератора НАГ-07М.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Вертикальные сечения для проведения отбора проб аэрозоля и координаты начала и окончания самолётных трасс в каждом сечении определялись по результатам численного моделирования. Расчёт полей концентрации частиц аэрозоля (рис. 4, поле частиц 1) проводился в
ПУ с использованием взятых в интернете данных наземных метеонаблюдений в Дмитрове, данных утреннего (в 3 часа МСК) радиозондирования в Долгопрудном и данных самолётного ветрового зондирования, выполненного самолётом перед началом воздействий до высоты 1500 м с 100-метровым интервалом по эшелону.
Однако, как показало сравнение утренних данных с данными радиозонда, полученного в 15 часов МСК, т.е. практически во время проведения воздействий, наблюдалось значительное изменение направления ветра с восточного на южное. Это привело к существенному изменению направления переноса частиц реагента (см. рис. 4, поле частиц 2). Как видно из рисунка, при таком переносе первое вертикальное сечение на удалении 3 км от генератора полностью пересекло шлейф частиц, второе сечение на удалении 6 км пересекло шлейф частично, а третье сечение на удалении 9 км оказалось вне шлейфа частиц.
На рис. 5 приведены графики результатов самолётных измерений и численных расчётов концентрации реагента в атмосфере, выполненных по данным 15-часового зондирования. Из рисунка видно, что наблюдается очень хорошее совпадение самолётных данных и результатов численного моделирования концентрации частиц реагента в первом сечении (рис. 5, а). Во втором сечении совпадение самолётных данных и результатов расчётов несколько хуже (рис. 5, б). В третьем сечении, лежащем вне шлейфа, концентрации частиц реагента соответствуют фоновым значениям (рис. 5, в).
Как видно из рис. 6, на котором приведены диаграммы измеренных и рассчитанных по модели ЗеесИМэр значений концентрации частиц реагента, наблюдается высокая степень корреляции концентрации частиц йодистого серебра в первых двух сечениях. Так для восьми пар коэффициент корреляции оказался равным 0,73 (рис. 6, а). При отбрасывании двух пар значений концентрации, полученных для высот 300 и 600 м во втором сечении, расхождение которых может быть связано с неполным пересечением шлейфа линиями взятия проб, а также сбоем в поджиге четырёх пироэлементов, коэффициент корреляции возрастает до 0,97 (рис. 6, б).
(а)
НАГ-07М (Сечение 1-3 км)
Самол. данные Числ. модель
100 200 300 400 500 600 700 Высота, м
900 1000 1100 1200
3
(б)
НАГ-07М (Сечение 2-6 км)
Самол. данные Числ. модель
7 #
6
5 Ё.
4 1 N.
3 1 ^^
2 1
1 ^
0 ^^^^
100 200 300 400 500 600 700 Высота, м
900 1000 1100 1200
3
(в) НАГ-07М (Сечение 3-9 км) Самол. данные
- Числ. модель
0,9
08
0,7 % /
0,6
0,5
0,4 1 /
0,3 1
0,2
0,1
о
0 Г00 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Высота, м
Рис. 5.
Концентрация частиц реагента в вертикальных сечениях на дальностях 3, 6 и 9 км по данным самолетных измерений и результатам численного моделирования 26 мая 2015 г.
Концентрация (10"5 мг/м3) у = 0,7127 х 1,2608 Н2 = 0,5349
со 4
7
6 Ф ▲
5 X 03 со о ▼
4 сц а
3 ^ сц о ♦
2 1Г ▲
1 ▼
0 ♦ ♦
_1_
012345678
Самолетные данные
Рис. 6. Диаграмма измеренных и рассчитанных по модели
Зеес^эр значений концентрации частиц реагента в первом и втором сечениях.
ВЫВОДЫ
Таким образом, результаты проведенного 26.05.2015 г. на испытательном полигоне ОАО «ФНПЦ «НИИ Прикладной химии» эксперимента, по измерению концентрации частиц йодистого серебра в атмосфере при воздействии генератором НАГ-07М показали, что:
1. Зарегистрированная в атмосфере концентрация йодистого серебра была выше фоновых значений до высоты 1200 м на удалениях от 3 до 9 км от места установки генератора.
2. Разработанная численная модель «8еесЮ18р» в целом качественно правильно описывает распространение аэрозолей йодистого серебра в пограничном слое и свободной атмосфере при воздействии наземными аэрозольными генераторами НАГ-07М. Так коэффициент корреляции измеренных самолётом и рассчитанных по модели значений концентрации частиц йодистого серебра в подоблачном слое превысил значение 0,7.
Рассчитанные по численной модели «8ееёВ1зр» поля концентрации реагента в значительной степени зависят от данных ветрового зондирования. В связи с этим для корректного расчёта переноса частиц реагента необходимо использовать вертикальные профили ветра, оперативно получаемые для территории проведения воздействий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Колосков Б.П., Корнеев В.П., Сергеев Б.Н., ЧочаевХ.Х., Штуль-ман Н.Г., Бейтуганов М.Н. Некоторые результаты численных экспериментов по переносу реагента при работе наземных аэрозольных генераторов // Труды научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельхозкультур от градобитий. Нальчик, 10-12 октября 2007 г. Нальчик, 2011. С. 117-126.
2. Колосков Б.П., Корнеев В.П., Клейменова A.B., Сергеев Б.Н., Шаповалов A.B., Чочаев Х.Х., Бейтуганов М.Н. Численное моделирование переноса реагента при работах по активным воздействиям на облака // Метеорология и гидрология. №12.-2012. С. 44-54.
3. Varenyh N.M., Emeliyanov V.N., Nesmeyanov P.A., Korneev V.P., Abshaev M.T., Reznikov M.S., Koloskov В.P. Russian Technical means for Weather Modification //10th WMO Sei. Conf. on Weather Mod., Bali, Indonesia, 2011.
