Обнаружение и распознавание опасных конвективных процессов радиотехническими средствами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.515.4:528.9

ОБНАРУЖЕНИЕ И РАСПОЗНАВАНИЕ ОПАСНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

© 2014 г. А.А. Аджиева, В.А. Шаповалов, И.Х. Машуков, Н.Н. Скорбеж, М.А. Шаповалов

Аджиева Аида Анатольевна - старший научный сотрудник, лаборатория математического моделирования, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: [email protected].

Шаповалов Виталий Александрович - кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, лаборатория математического моделирования, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: [email protected].

Машуков Идар Хазраталиевич - младший научный сотрудник, лаборатория математического моделирования, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: [email protected].

Скорбеж Надежда Николаевна - младший научный сотрудник, Кисловодская горная астрономическая станция Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, ул. Гагарина, 100, г. Кисловодск, 357700, e-mail: [email protected].

Шаповалов Максим Александрович - младший научный сотрудник, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vet555_83@mail. ru.

Adzhieva Aida Anatolyevna - Senior Researcher, Laboratory of Mathematical Modeling, Cloud Physics Department, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, Russia, 360030, e-mail: [email protected].

Shapovalov Vitaly Aleksandrovich - Candidate of Physical and Mathematical Science, Junior Researcher, Laboratory of Mathematical Modeling, Cloud Physics Department, HighMountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, Russia, 360030, e-mail: [email protected].

Mashukov Idar Khazratalievich - Junior Researcher, Laboratory of Mathematical Modeling, Cloud Physics Department, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, Russia, 360030, e-mail: [email protected].

Skorbezh Nadejda Nikolaevna - Junior Researcher, Kislovodsk Mountain Astronomical Station of the Main (Pulkovo) Astronomical Observatory of the Russian Academy of the Sciences, Gagarin St., 100, Kislovodsk, Russia, 357700, e-mail: [email protected].

Shapovalov Maksim Aleksandrovich - Junior Researcher, Cloud Physics Department, High-Mountain Geophysical Institute. Lenin Ave., 2, Nalchik, KBR, Russia, 360030, email: [email protected].

Для обнаружения и предупреждения об опасных быстроразвивающихся конвективных явлениях на территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) приема, анализа и архивирования радиолокационной, спутниковой, грозорегистрационной и наземной (автоматические метеостанции) метеорологической информации. Метеорологическая информация на АРМ поступает по каналам связи в центр приема от радиолокаторов МРЛ-5, новых доплеровских станций ДМРЛ-С, автоматических метеостанций (АМС) и других источников. Распознавание грозоградовых осуществляется радиолокационными методами.

Ключевые слова: опасные конвективные процессы, метеорологические радиолокаторы, система штормового предупреждения.

The automated workplace (AW) of reception, the analysis is developed for detection and the prevention about dangerous quickly developing the convective phenomena in territory of Southern and North Caucasian federal districts in FSBI «High-Mountain Geophysical Institute» and archiving the radar-tracking, satellite, thunderstorm registration and land (automatic meteorological stations) meteorological information. The meteorological information on an automated workplace arrives on communication channels in the centre of reception from radars MRL-5, new Doppler stations DMRL-C, automatic meteorological stations (AMS) and other sources. Recognition hail storm is carried out by radar-tracking methods.

Keywords: dangerous convective processes, meteorological radars, storm warning system.

Природные стихийные явления и связанные с ними катастрофы являются неотъемлемой частью жизни современного общества. Эти явления приводят порой не только к человеческим жертвам и значительному материальному ущербу, но и к существенному изменению среды обитания человека. В условиях повышения частоты стихийных явлений и катастроф человечество должно совершенствовать методы и средства обеспечения себе безопасных условий жизнедеятель-

ности. Поскольку в современных условиях нельзя полностью исключить возможность аварий и катастроф, безопасность подразумевает необходимую и достаточную защищенность, подготовленность населения и хозяйственных объектов к вероятным стихийным явлениям в природе. Научно обоснованная и экономически целесообразная система превентивных мер, направленных на снижение риска чрезвычайных ситуаций природного характера и смягчение их по-

следствий, включает в себя комплекс экономических, технических, технологических, организационных и других мероприятий. Они требуют вложения значительных сил и средств, однако, как свидетельствует мировой и отечественный опыт, затраты на предупреждение чрезвычайных ситуаций в среднем в 15 раз меньше величины возможного (предотвращенного) ущерба. Эффективность превентивных мер в значительной степени зависит от качества и заблаговре-менности прогноза катастрофических природных явлений, который основывается на сумме знаний о природных опасностях, причинах их возникновения, особенностях проявления и воздействия. Таким образом, для предотвращения природных чрезвычайных ситуаций общество и государство остро нуждаются в полноценной и разносторонней информации о масштабах распространения и степени опасности природных процессов, действующих (или способных действовать) в пределах определенной территории [1].

Наибольшим риском возникновения стихийных природных бедствий на территории России характеризуется Северный Кавказ. На территории региона происходит треть всех чрезвычайных ситуаций природного характера в стране. Большинство таких ситуаций происходит в зонах проживания и активной производственной деятельности населения. Особо опасными явлениями считаются конвективные процессы, приводящие к грозам и граду. Основная часть территории региона расположена в зоне рискованного земледелия, в связи с чем и сельскохозяйственное производство в округе несет большие потери от стихийных природных процессов. Одним из возможных путей снижения воздействия этих явлений на жизнедеятельность является своевременное их обнаружение радиотехническими средствами на ранней стадии развития и осуществление превентивных мер воздействия.

Для обнаружения и предупреждения об опасных быстроразвивающихся конвективных явлениях на территории Южного и Северо-Кавказского федераль-

ных округов в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) приема, анализа и архивирования радиолокационной, спутниковой, грозорегистрационной и наземной (автоматические метеостанции) метеорологической информации.

Такая информация на АРМ поступает по каналам связи в центр приема от радиолокаторов МРЛ-5, новых доплеровских станций ДМРЛ-С, автоматических метеостанций (АМС) и других источников. Распознавание грозоградовых осуществляется радиолокационными методами [2-4].

Разработано специальное программное обеспечение, которое позволяет осуществлять:

- прием данных;

- отображение пространственной структуры полей облачности, осадков и гроз на фоне карты местности;

- отображение карт опасных явлений погоды (ливневые осадки, грозы) на фоне карты административных границ районов края;

- анализ эволюции облачных структур, направления и скорости перемещения облаков, облачных систем и опасных явлений погоды.

Совмещение данных от разных источников метеорологической информации обеспечивает повышение информативности системы.

Спутниковые данные дают представление о глобальной облачной системе региона в видимом и инфракрасном диапазонах, но имеют неопределенность в части явлений погоды и большой интервал времени между двумя периодами измерений, что затрудняет использование этой информации для сверхкраткосрочных прогнозов метеоявлений.

Примеры полученных в АРМ карт по ЮФО и СКФО представлены на рис. 1, 2.

Слева на рис. 1 показана цветовая палитра - разбиение по интервалам количества разрядов в грозовых облаках за время наблюдения 10 мин.

Рис. 1. Режим отображения грозовых разрядов (внутриоблачных и облако-земля) за интервал времени 10 мин на территории ЮФО и СКФО, зафиксированных грозорегистратором ЬБ8000 (ФГБУ «ВГИ»)

Радарные и грозопеленгационные данные обеспечивают распознавание явлений погоды и их локализацию на фоне глобальной картины облачности региона и имеют малый период измерения характеристик быс-тропротекающих процессов (град, гроза, ливни).

Авторами разработаны усовершенствованные алгоритмы распознавания опасных явлений погоды

(ОЯП), основанные на комплексном анализе поступающей информации с использованием математического аппарата распознавания образов. Выделяются конвективные процессы, направление и скорость их перемещения. Пример распознавания опасных явлений погоды представлен на рис. 2.

Рис. 2. Карта опасных конвективных процессов в АРМ анализа радиолокационной информации

Программа объединения геофизических данных поддерживает:

- отображение текущей погоды;

- выявление ливней и града;

- сверхкраткосрочный прогноз опасных явлений;

- формирование данных об интенсивности осадков с возможностью генерации отчетов о количестве выпавших осадков за заданный период времени в заданном географическом районе;

- формирование карты максимальной отражаемости в слое 0-15 км;

- формирование вертикального разреза облачности. При генерации карт поддерживаются стандартные

картографические проекции. Обеспечена возможность генерации векторных карт местности.

Главное окно включает в себя окно карты метеоявлений, панель инструментов, сводную таблицу, таблицу цветовой градации и строку состояния (рис. 3, 4).

Рис. 3. Количество разрядов за сутки 61

Рис. 4. Вертикальный разрез облачности (<!В7)

Измерение количества осадков радиолокационным методом осуществляется путем интегрирования осадков за любой желаемый отрезок времени, за весь период дождя, за сутки, 10 дней, месяц, квартал, полугодие (зимние осадки, летние осадки) и год.

Отображение карт суммарного количества осадков в АРМ осуществляется в виде цветных карт, отображаемых на фоне карты местности.

Данные автоматических метеостанций обеспечивают сопоставление радиолокационной информации с фактической погодой в отдельных точках региона и служат калибровочными данными для радарных измерений вида, интенсивности и количества осадков.

Литература

1. Разумов В.В., Притворов А.П., Перекрест В.В., Разумо-

ва Н.В., Аджиева А.А. Опасные природные процессы юга европейской части России / Евразийский институт социально-природных исследований. М., 2008.

2. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и ме-

теорологические наблюдения. Л., 1988.

3. Степаненко В. Д. Радиолокация в метеорологии: 2-е изд.

Л., 1973. 343 с.

4. Руководство по производству наблюдений и примене-

нию информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. РД 52.04.320-91. Л., 1993. 358 с.

Поступила в редакцию

17 декабря 2013 г.