CC BY
7
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», №1, 2021
25.00.30 УДК 551.557.59
МЕТЕОРОЛОГИЯ, КЛИМАТОЛОГИЯ, АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ
Геккиева С.О.
Введение.
Материалы и методы исследования.
ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», Россия, г. Нальчик, sgekkieva@list.ru
ИЗМЕНЕНИЕ РЕЖИМА ОСАДКОВ В РЕГИОНЕ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА ПРИ ИСКУССТВЕННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ОСАДКОВ
DOI: 10.37493/2308-4758.2021.1.9
Задача искусственного увеличения осадков - одна из наиболее актуальных в общей проблеме активных воздействий человека на гидрометеорологические процессы. В целом, выполненные обширные теоретические и экспериментальные исследования позволили впервые в нашей стране с 1985 года приступить к опытно-производственным работам по искусственному увеличению осадков в районах с недостаточным естественным увлажнением. С 1986 года ведутся широкомасштабные эксперименты по дополнительному увлажнению сельхозугодий на территории Ставропольского края. Однако в работах по активному воздействию имеется ряд нерешенных проблем, относящихся к статистической оценке их результатов. Сложно выявить изменение количества выпадающих осадков, поскольку осадки подвержены значительным естественным колебаниям. Есть предположения, что увеличение осадков над определенной территорией должно сопровождаться их уменьшением на другой площади, расположенной относительно дальше по ветру, т.е., что воздействия приводят не к абсолютному увеличению осадков, а к некоторому их перераспределению по площади. Процессы перераспределения осадков могут наблюдаться в сравнительно узкой области на расстоянии 85 и 120 км [1].
Проблема оценки результатов активных воздействий на облака возникла, начиная с первых попыток проведения таких воздействий. При этом если результаты засева слоистообразных облаков, не дающих осадков, зачастую могли быть проконтролированы визуально или зафиксированы на фотопленку и с помощью радиолокационных наблюдений, эффекты воздействия на конвективную облачность, особенно в условиях выпадения осадков, чаще всего завуалированы процессом их естественной эволюции [2]. Между тем, именно воздействия, направленные на интенсификацию процессов естественного осадкообразования, обеспечивают получение максимального абсолютного приращения осадков [3].
Результаты исследования
и их обсуждение. В настоящей статье представлены результаты статистической оценки перераспределения осадков методом исторической регрессии. Метод основан на использовании данных многолетних наблюдений за атмосферными осадками на защищаемых и прилегающих равновеликих территориях. Получены высокие значения коэффициентов корреляции г между осадкомерными рядами прилегающей территории (ПТ) и контрольной территории (КТ) с оценками погрешностей их расчета ^г) для периода времени до активных воздействий, полученные при расчетах значения коэффициентов линейной регрессии р между осадкомерными рядами (х-у^ и результирующее уравнение линейной регрессии. Также в данной работе применяется метод трех дельта для оценки значимости эффекта воздействия в единичном эксперименте (за один сезон) [4-6].
Выводы. Следует отметить, что результаты статистической оценки позволяют ска-
зать, что за сезон оперативных работ по ИУО может наблюдаться перераспределение осадков от 13 % до 25 % среднемесячной нормы осадков на прилегающих и контрольных территориях.
Ключевые слова: активные воздействия, осадки, статистические методы, перераспределение осадков.
Gekkieva S. Federal State Budgetary Institution "High-Mountain Geophysical Institute",
Russia, Nalchik, sgekkieva@list.ru
Materials and methods of the research.
Change of Precipitation Regime
in the North Caucasus Region Under Artificial
Regulation of Precipitation
Introduction. The task of artificially increasing precipitation is one of the most urgent in the
general problem of active human influences on hydrometeorological processes. In general, the extensive theoretical and experimental research carried out made it possible for the first time in our country since 1985 to begin pilot production work to artificially increase precipitation in areas with insufficient natural moisture. Since 1986, large-scale experiments have been carried out on additional moistening of farmland in the Stavropol Territory. However, in the works on active exposure there are a number of unresolved problems related to the statistical assessment of their results. It is difficult to identify changes in the amount of precipitation, since precipitation is subject to significant natural fluctuations. There are assumptions that an increase in precipitation over a certain territory should be accompanied by a decrease in precipitation in another area located relatively further downwind, i.e., that the impacts do not lead to an absolute increase in precipitation, but to some redistribution over the area. The processes of redistribution of precipitation can be observed in a relatively narrow area at a distance of 85 and 120 km [1].
The problem of assessing the results of active impacts on clouds has arisen since the first attempts to carry out such impacts. At the same time, if the results of seeding stratus clouds that do not give precipitation could often be monitored visually or recorded on photographic film and using radar observations, the effects of the impact on convective cloudiness, especially in conditions of precipitation, are most often veiled by the process of their natural evolution [2]. Meanwhile, it is precisely the impacts aimed at intensifying the processes of natural sedimentation that provide the maximum absolute increment in precipitation [3].
This article presents the results of a statistical assessment of the redistribution of precipitation using the historical regression method. The method is based on the use of data from long-term observations of atmospheric precipitation in protected and adjacent areas of equal size. High values of the correlation coefficients r were obtained between the precipitation-gauge rows of the adjacent territory and the control territory with estimates of the errors of their calculation (Sr) for the time period before active influences, obtained by calculating the values of the linear regression coefficients p between the precipitation-gauge rows (x-yi) and the resulting linear regression equation. Also, in this work, the three-delta method is used to assess the significance of the impact effect in a single experiment (for one season) [4-6].
Conclusions. It should be noted that the results of the statistical assessment make it possible to
say that during the season of operational work to artificially increase precipitation, a redistribution of precipitation from 13% to 25% of the average monthly precipitation rate in the adjacent and control territories can be observed.
Key words: active influences, precipitation, statistical methods, redistribution of precipitation.
Results of the study and their discussion.
Введение
Сложность оценки результатов активных воздействий обусловлена большой пространственно-временной изменчивостью большинства типов естественных процессов осадкообразования. Также тяжело получить их характеристики с необходимой для оценки результатов воздействий точностью, пространственной и временной раз-
решающей способностью. Тем более, что эффект воздействий обычно не превышает амплитуду естественных вариаций осадков [2]. С другой стороны, несмотря на это, обусловленные воздействиями приращения осадков в большинстве случаев имеют важное экономическое значение, что еще больше повышает значимость оценки эффективности искусственных воздействий на процессы осадкообразования в облачных системах различных форм.
Таким образом, к настоящему времени благодаря значительному количеству выполненных экспериментов, а также наличию ряда работ, посвященных анализу результатов воздействий на конвективные облака, созданы предпосылки для практического применения метода искусственного осадкообразования. Основными трудностями в этой проблеме по-прежнему остаются корректная интерпретация результата воздействия, отделения искусственно стимулированных процессов от естественных. Не достаточно ясна еще количественная сторона воздействия и, в частности, не решен вопрос о влиянии воздействия на естественный процесс, так как до сих пор не выяснено, не уменьшает ли воздействие количество осадков, которое выпало бы из данного облака при естественном протекании процесса? Вероятно, в зависимости от конкретной ситуации возможны оба случая, т.е. когда воздействие приводит к выпадению из облака осадков в меньшем количестве, чем при естественном процессе. Тем более, это сложно оценить на Северном Кавказе, так как естественные колебания количества осадков здесь крайне изменчивы в пространстве и времени [7, 8, 10]. Такое неравномерное распределение обусловлено физико-географическим положением региона, где с одной стороны проходит Главный Кавказский хребет, а с другой близкое расположение Черного моря [9].
Материалы и методы исследования
В настоящей статье представлен предварительный статистический анализ, разработанный на основе метода исторической регрессии и предназначенный для оценки работ по искусственному увеличению осадков (ИУО) на большой территории, характеризующейся значительной пространственной неоднородностью осадков. Наличие высокой корреляции осадков между сравниваемыми территориями и отсутствие влияния активных воздействий на контрольных территориях КТ позволяет использовать данный метод. Базовыми данными, на которых основывается метод, являются осредненные данные осадков за весенне-летний сезон (май - август) с отдельных метеостанций. Осреднение осадков дает возможность снизить коэффициенты вариации осадков. Расчетный период выбран с 1970 по 1985 годы, т. к. с 1986 г. на территории Ставропольского края были начаты работы
по АВ на конвективные облака с целью ИУО, в связи, с чем был нарушен естественный режим выпадения атмосферных осадков.
В качестве контрольных территорий были взяты: Минеральные Воды, Кисловодск, Карачаевск. Прилегающие территории: Нальчик, Прохладный, Терек, Каменномостское, Моздок, Южно-Сухокумск, Те-рекли - Мектеб, Кочубей. На карте Северного Кавказа можно увидеть их географическое расположение.
ЗТ и КТ выбраны так, что соответствуют основным требованиям для их дальнейшего сравнения. К числу основных требований относится следующее:
— сходные физико-географические характеристики;
близкие по площади воздействия размеры, близкую к ней плотность наземной осадкомерной сети, примерно одинаковую с ней длину рядов наблюдений за осадками;
устойчивая во времени корреляционная связь осадков на КТ и ЗТ за возможно более длительный ряд лет до начала воздействий.
Результаты исследования и их обсуждение
Выбор контрольных станций и оценка результатов воздействий производится по отдельности для каждой из зон. Также по отдельности выполняется оценка для каждого сезона работ. На рисунке 2 представлен временной ход среднего количества осадков за 15-летний период до начала работ по искусственному увеличению осадков, выпавший на территории Ставропольского края (ЗТ) и соседними с ним контрольными (КТ) и прилегающими территориями (ПТ).
Временной ход количества осадков по всему региону показывает, что количество осадков на всей территории имеет квазипериодические колебания с циклами от 2 до 6 лет. Годы максимума и минимума по всем исследуемым районам совпадают. Анализ временного хода также показывает, что в период с 1971 по 1977 г отмечается увеличение количества осадков на ЗТ, КТ, ПТ и на всей исследуемой территории, а с 1977 по 1979 г. отмечается устойчивая тенденция уменьшения среднего количества осадков за сезон (май - август) на всей территории. Определенная синхронность такой картины, скорее всего, обусловлена тем, что основное количество осадков выпадает при фронтальных процессах, проходящих по всему региону.
Данные статистического анализа осадкомерных рядов для четырех сравниваемых пар территорий (КТЬ КТ2, КТ3, КТ4 и ПТ!, ПТ2) представлены в таблице 1. Это значения коэффициентов корреляции (г) между осадкомерными рядами прилегающей территории (ПТ) и
о. ...............
1970 1970 1970 1970 1970 1970 1970 1970 1970 1980 1981 1982 1983 1984 1985
Рис. 1. Временной ход осадков (май - август) на контрольных и за-
щищаемых территориях: 1 - ЗТ, 2 - ПТ и 3 - КТ.
Fig . 2 . Time course of precipitation (may-august) in the control and protected areas: 1 - CT, 2 - PT and 3 - AT
контрольными территориями (КТ) с оценками погрешностей их расчета (S) для периода времени до активных воздействий, полученные при расчетах значения коэффициентов линейной регрессии р между осад-комерными рядами (x—у) и результирующее уравнение линейной регрессии [11, 12].
В таблице 1 для каждой пары параметров приведены комбинации, характеризующиеся максимальной величиной коэффициентов взаимной корреляции. При расчетах влияния работ по ИУО на режим осадков на прилегающей территории можно воспользоваться любым регрессионным соотношением, представленным в таблице 1. Регрессионная связь между КТ и ПТ до начала работ по активным воздействиям (1970-1985 гг.) и при активных воздействиях (1986-1997 гг.) в Ставропольском крае представлена на рисунке 1.
На рисунке 1 доверительный интервал уравнения регрессии обозначен штриховыми линиями. Доверительный интервал для уравнения регрессии, полученной между осадками контрольной (x) и прилегающей (у) территорий:
у - 0,7x + 38 (1)
Коэффициент корреляции между осадками КТ и ПТ равен r = 0,8.
Таблица 1. ДАННЫЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Table 1. Statistical analysis data
Статистические характеристики Сравниваемые пары осадкомерных рядов
X,-y, Х2-У, Х3-У2 Х4-У2
r ± Sr 0,8 ± 0,09 0,7 ± 0,13 0,7 ± 0,13 0,7 ± 0,13
Р 0,7 ± 0,14 0,6 ± 0,11 0,5 ± 0,15 2,2 ± 0,09
ур-е регрессии 0,7x + 38 0,6x + 25,2 0,5x+21,3 2,2x + 19,3
± S ± 11,4 ± 11,4 ± 10,3 ± 7,9
Для того, чтобы проверить гипотезу о значимости выборочного коэффициента корреляции необходимо при уровне значимости 0,05 проверить нулевую гипотезу о равенстве нулю генерального коэффициента корреляции Н0 : гг = 0. В качестве критерия проверки нулевой гипотезы принимается случайная величина [4].
_Нп-2 _0,8У16-2_ (2)
По уровню значимости 0,05 и числу степеней свободы к, находим по таблице распределения Стьюдента критическую точку двусторонней критической области 4р (0,05; 16) = 2,12
Поскольку Тнабл > tкр, нулевую гипотезу отвергаем. Следовательно, выборочный коэффициент корреляции значимо отличается от нуля, т.е. осадки на прилегающей и контрольной территории коррели-рованы. Погрешность определения ожидаемого количества осадков на ПТ по уравнению регрессии (1) равна среднеквадратическому отклонению от уравнения регрессии:
(3)
£ = ± 19,1 VI- 0,82 = ± 11,4 (мм)
Доверительный интервал уравнения регрессии (1) находим по формуле:
Утр =У*г +а(хКГ-хК[) ± + (4)
Чп-2 у
Рис. 2. Регрессионная связь осадков прилегающей (у) и контроль-
ной (x) территорий: 1 - в период до начала работ, 2 - в период проведения активных воздействий.
Fig . 2 . Regression relationship of precipitation of adjacent (y) and control (x) territories: 1- in the period before the start of work, 2 - in the period of active impact .
Расчеты по формуле (3) показывают, что погрешность уравнения регрессии на уровне значимости 10 % составляет в среднем 5 = ± 5,7 мм. Как видно из рисунка 2, фактическое количество осадков на ПТ за годы активных воздействий лежит вне области доверительного интервала уравнения регрессии. Подставив в уравнение регрессии фактическое значение среднего количества осадков, выпавших на КТ (Хф), получим значение расчетного количества осадков на ПТ (ур). Количество дополнительных осадков определяется по формуле (5):
Ду - Уф - Ур , (5)
В таблице 2 представлены данные о дополнительных количествах осадков, рассчитанных по уравнениям регрессии (см. табл. 1) и фактических осадков на ПТ и КТ за каждый год проведения активных воздействий.
Для оценки значимости эффекта воздействия в единичном эксперименте (за один сезон) применяется метод трех дельта [6], если |Ду| > о(у), то об эффекте воздействия можно говорить с доверительной вероятностью 68%; если |Ду| > 2о(у) - доверительная вероятность равна 95 %; если же |Ду| > 3о(у) - доверительная вероятность практически 100 %. В практике работ по ИУО удовлетворительной считается доверительная вероятность 68%, т.е. условие |Ду| > о(у).
Выводы
Анализ приведенных в таблице 2 данных и результаты, полученные на основе метода трех дельта, позволяют сделать некоторые выводы:
Таблица 2. ДАННЫЕ О ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОСАДКАХ ЗА ГОДЫ
ПРОВЕДЕНИЯ АВ (1986-1997 гг.)
Table 2. Data on additional precipitation over the years of active impacts (1986-1997 years)
Годы Х У Урасч. Ду
(мм) (мм) (мм) (мм)
1986 65,2 86,8 83,6 3,2
1987 74,3 102,1 90,8 11,5
1988 53,2 86,0 75,2 10,8
1989 86,0 82,6 98,2 -15,6
1990 62,8 82,7 81,9 0,8
1991 100,3 84,3 108,2 -23,9
1992 68,2 54,8 85,7 -30,9
1993 71,8 95,8 88,3 7,5
1994 45,5 47,3 69,9 -22,6
1995 40,3 66,0 66,2 0,2
1996 68,5 100,8 85,9 14,9
1997 61,4 102,5 80,9 21,6
количество дополнительных осадков за сезон должно быть Ду > 1,4 мм, чтобы говорить о значимом эффекте перераспределения осадков с доверительной вероятностью 68%;
значимый эффект перераспределения осадков за весь период работы по АВ был в 1987, 1996 и 1997 годы.
Таким образом, результаты статистической оценки эффекта перераспределения осадков на КТ и ПТ, полученные с использованием модифицированного метода исторической регрессии, показывают, что за сезон оперативных работ по ИУО может наблюдаться перераспределение осадков от 13 % до 25 % среднемесячной нормы осадков. Также результаты различных проектов свидетельствуют о целесообразности и перспективности комплексного подхода к оценке эффективности перераспределения осадков (статистический и физический) и, следовательно, о необходимости развития и совершенствования каждого из них.
Библиографический список
1. Геккиева С . О . Экологические проблемы активных воздействий на облака . Экологические аспекты активных воздействий на облака: дис. . . . канд . физ . -мат наук: 25. 00. 30 ФГБУ «ВГИ», Нальчик, 2002. 65 с.
2 . Колосков Б . П . , Корнеев В . П . , Щукин Г Г , Методы и средства
модификации облачности, дождя и тумана . СПб: РГГМУ, 2012 . 123 с .
3 . Абшаев М . Т , Климовская Л . Н . О влиянии противоградовых ра-
бот на интенсивность и количество осадков // Труды ВГИ . Вып . 33, 1976. 54 с .
4 . Гмурман В . С . Теория вероятностей и математическая статисти-
ка . М . : Высшая школа, 1972. 368 с .
5 Митропольский А К Техника статистических вычислений М : Физматгиз, 1961. 97 с .
6 . Шипилов О . Применение статистических методов оценки эф-
фективности работы на повышение осадков . Гидрометеорология . Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1983. 28 с.
7 . Бартишвили И . Т и др . Оценка влияния противоградовой защи-
ты на режим осадков защищаемых и контрольных территорий Южной и Восточной Грузии // Труды ГГО . Вып . 497, 1986. 47 с .
8 . Бартишвили Я . Т. , Ватьян М . Р , Капанадзе Н . И . , Одикадзе М . Я . /
Исследование влияния противоградовой защиты на режим осадков Центральной части Южной Грузии // В кн : Материалы Всесоюзного семинара по физике образования градовых процессов и активных воздействий на них. М. : Гидрометеоиздат, 1988. 114 с.
9 . Абшаев М . Т , Абшаев А . М . Анализ вариантов увеличения осад-
ков на локальной территории . Труды ВГИ . Вып . 100, 2017. 76 с . 10 . Ватиашвили М . Р Изменение режима осадков в регионе Центрального Кавказа при проведении противоградовой защиты // Наука . Инновации . Технологии . 2019 . №2 . С . 88-96. 11. Gekkieva S . and Sherkhov A . Statistical estimation of the effect of precipitation redistribution using the historical regression method . To cite this article: IOP Conf. Ser. : Mater. Sci . Eng . 1083 012096. 2021
12 . Khuchunaev B . , Baysiev Kh . -M . , Gekkieva S . , Budaev А. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering PAPER • OPEN ACCESS Researches of ice-forming efficiency of products of sublimation of pyrotechnic compositions consisting of silver iodide Agl particles and zinc oxide . IOP Conf. Ser. : Mater. Sci . Eng . 1083 012097 2021 References
1. Gekkieva S . Ecological aspects of active impacts on clouds . Doct. Diss . Nalchik, 2002. 65 р .
2 . Koloskov B . P , Korneev V. P , Shchukin G . G . , Methods and equip-
ments of cloud, rain and fog modification . St Petersburg: RSHU Publishers, 2012. 123 р .
3 . Abshaev M . T , Klimovskaya L . N . On the influence of anti-hail work
on the intensity and amount of precipitation // Proceedings of HMGI . Issue 33, 1976. 54 р .
4 . Gmurman V. S . Theory of Probability and Mathematical Statistics .
M . : Higher school, 1972. 368 р .
5 . Mitropolsky A . K . Technique of statistical calculations . Moscow: Fiz-
matgiz, 1961. 97 р .
6 . Shipilov O . The use of statistical methods to assess the effective-
ness of work to increase precipitation . Hydrometeorology. Obninsk: VNIIGMI-MCD, 1983. 28 р .
7 . Bartishvili I. T et al .Assessment of the impact of anti-hail protection
on the precipitation regime of the protected and control territories of southern and eastern Georgia // Proceedings of the Main Geophysical Observatory. Issue 497, 1986. 47 р . 8. Bartishvili Ya . T , Vatyan M . R . , Kapanadze N . I . , Odikadze M . Ya . / Investigation of the effect of anti-hail protection on the precipitation regime of the Central part of South Georgia // In the book: Materials of the All-Union seminar on the physics of the formation of hail processes and active influences on them . M . : Gidrometeoizdat, 1988. 114 р
9 . Abshaev M . T , Abshaev A. M. Analysis of options for increasing rainfall in the local territory. Proceedings of HMGI, Issue 100, 2017. 76 р
10 Vatiashvili M R Changes in the precipitation regime in the Central Caucasus region during anti-hail protection // Science Innovation Technology. 2019 . No2 . Р 88-96. 11. Gekkieva S . and Sherkhov A . Statistical estimation of the effect of precipitation redistribution using the historical regression method To cite this article: IOP Conf. Ser. : Mater. Sci . Eng . 1083 012096. 2021.
12 . Khuchunaev B . , Baysiev Kh . -M . , Gekkieva S . , Budaev А. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering PAPER • OPEN ACCESS Researches of ice-forming efficiency of products of sublimation of pyrotechnic compositions consisting of silver iodide AgI particles and zinc oxide . IOP Conf. Ser. : Mater. Sci . Eng . 1083 012097. 2021.
Поступило в редакцию 28.01.2021, принята к публикации 01.03.2021.
O6 авторах
Геккиева Сафият Омаровна, канд . ф . -м . н . , снс ЛМФО ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» . Россия, г Нальчик, пр . Ленина, 2 . Tел. 8(928) 69-36-444, sgekkieva@list. ru
About authors
Gekkieva Safiyat, candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Microphysics of Clouds of the Federal State Budgetary Institution "High-Mountain Geophysical Institute",
Russia, KBR, 360000, Nalchik, Lenin Ave . , 2, Phone: 8(928) 69-36-444, sgekkieva@list. ru
