CC BY
35
УДК 551.577.61
ОПОВЕЩЕНИЯ О ПАВОДКАХ И СЕЛЯХ ЛИВНЕВОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
РАДИОЛОКАЦИОННЫМ МЕТОДОМ
© 2007 г. А.М. Абшаев, К.Б. Лиев
The possibilities of radar warning about floods and torrents of heavy shower origin, leading to big material losses and human sacrifices are considered. The method of warning about them, based on radar measurement of precipitation amount in the watershed basin is proposed. For enhancement of such warning effectiveness the radar method of measurement mixed precipitation (rain with hail), which is the most frequent reason of floods and torrents of rain origin formation in mountain areas is designed. The approbation of improved methods of precipitation measurement and warning about shower floods in natural conditions showed encouraging results.
Наводнения, паводки и сели, связанные с обильными осадками, в последние годы ежегодно отмечаются во многих регионах мира. Они возникают неожиданно, и их называют «внезапными» (Flush Flood). Интенсивные продолжительные ливневые дожди способствуют интенсивному таянию снега и ледников, прорыву плотин, образованию оползней и могут провоцировать также развитие селей гляциально-ливневого и гляциального происхождения.
Паводки, наводнения и сели ливневого происхождения зачастую приводят к гибели людей, наносят серьез-
Радиолокационный метод измерения смешанных осадков в горных районах
Обычно для радиолокационного измерения осадков используются [1-6] корреляционные связи типа: 1=А3Ь, где 1 - радиолокационная отражаемость осадков, 3 - интенсивность осадков, мм/ч; А и Ь -коэффиценты корреляции.
В зависимости от типа и интенсивности осадков значения коэффициентов А и Ь варьируют в больших пределах [2, 6]. Наиболее часто применяемые корреляционные 1-1 соотношения по данным [2-4, 6] представлены в табл. 2. Некоторые соотношения из табл. 2 обеспечивают приемлемую точность измере-
ный материальный ущерб движимому и недвижимому имуществу. В Южном федеральном округе РФ ежегодный ущерб от наводнений, паводков, обильных дождей достигает более 3 млрд руб. (табл. 1).
Цель работы - разработка радиолокационного метода и технической системы оповещения о паводках и селях ливневого происхождения, охватывающей множество паводковых и селевых бассейнов и имеющей повышенную заблаговремен-ность для эвакуации людей и движимого имущества.
Таблица 1
ния интенсивности слабых обложных дождей, но завышают интенсивность ливней и, наоборот, при достаточно точном измерении интенсивных осадков получается недооценка слабых дождей.
Радиолокационное измерение осадков обычно осуществляется в приземном (1 км) слое атмосферы. Однако в горных районах, где высота подстилающей поверхности может быть выше этого слоя, такие измерения становятся неприемлемыми, так как осадки над горами и ущельями не измеряются. Это исключает возможность успешного решения задачи оповещения о паводках и селях в горных районах. Кроме того, применяемые методы не предусматривают измерение смешанных осадков (дождь с градом), при которых чаще всего отмечаются паводки.
Среднегодовой ущерб, нанесенный экономике ЮФО интенсивными осадками в 1998-2002 гг., млн руб.
Субъект ЮФО Наводнения и паводки Вымокание растений Сильный дождь (ливень) Сели
Республика Адыгея 161,25 77,17 0,31
Астраханская область 303,66
Волгоградская область 2,83 39,13
КБР 435,23 1,86
Республика Калмыкия 0,16
Республика Дагестан 261,65 4,11 0,19
Республика Ингушетия 71,70
Краснодарский край 786,80 22,10
РСО-Алания 151,37 97,65 0,67
Ростовская область 151,15 284,20
Ставропольский край 182,85 76,79
КЧР 79,54 0,16
Всего 2284,37 380,83 624,14 3,19
Таблица 2
Корреляционные связи интенсивности осадков мм/ч, с множителем радиолокационной отражаемости ъ, мм6/м3, и Ъ, dBZ
Тип осадков Корреляционная связь Автор
Обложные дожди z = 200-J1'6 IgJ = 0'0625Z - 1'4381 Маршал и Пальмер
z = 31-J1'71 IgJ = 0'0585Z - 1'4580 Бланчард(1953)
z = 296-J1'47 IgJ = 0'068Z - 1'6395 Маршал и Пальмер
Ливневые дожди z = 400-J1'1 IgJ = 0'0909Z - 2'3655 Атлас и Чмела
z = 358-J1'36 IgJ = 0'0735Z - 1'8779 Джонс (1956)
z = 400-J1'4 IgJ = 0'0714Z - 1'8586 Лоус и Парсонс (1943)
z = 300-J1'5 IgJ = 0'0667Z - 1'6513 Джос, Вальфогел (1978)
z = 209-J1'69 IgJ = 0'0592Z - 1'3728 Мучник и др. (1961)
z = 300-J1'42 IgJ = 0'0704Z - 1'7444 Цикунов (1974)
Грозовые дожди z = 219-J1'41 IgJ = 0'0709Z - 1'6595 Сиварамакришн (1961)
z = 486-J1'37 IgJ = 0'0730Z - 1'9613 Джонс (1956)
z = 290-J1'41 IgJ = 0'0709Z - 1'7461 Бланчард(1953)
Град смоченный z33 = 3'5-104J°'88 IgJ = 0'1136Z3'3 - 5' 164 Дуглас и Хичфельд
z10 = 6'2-104J1'37 IgJ = 0'0799Z10 - 3'498
Для устранения этих недостатков нами предлагается усовершенствованный радиолокационный метод измерения осадков в горных районах, который предусматривает:
- получение универсального 2 - I соотношения для слабых, средних и сильных осадков;
- измерение осадков с учетом высоты местности;
- измерение смешанных осадков (ливневой дождь с градом);
- измерение осадков на длине волны X = 10 см, на которой ослабление радиоволн в интенсивных ливневых осадках мало.
Для измерения интенсивности осадков во всем диапазоне их интенсивностей получено 2 - I соотношение, которое приемлемо для дождей всех типов (ливневых, обложных, моросящих). Для этого построено семейство кривых (рис. 1) всех 2 -1 соотношений, приведенных в табл. 2. Усредняя это семейство кривых, построена функция, достаточно удовлетворительно описывающая зависимость I, мм/ч, от 2 во всем диапазоне интенсивности дождей [7, 8]: 1^д= = 0,0712К1- 1,745.
О 10 20 30 40 50 60
Рис. 1. Семейство кривых 2 - J соотношений, приведенных в табл. 2, и усредняющий их экспоненциальный тренд (жирная линия)
Из рис. 1 следует, что разброс значений J(Z) относительно усредняющей кривой в области слабых осадков не превышает 50 %, а в области умеренных и сильных - 30.
Для измерения интенсивности градовых осадков получена аналогичная формула:
1^г= 0,065г10 - 2,28. (1)
В случае смешанных осадков (дождь с градом) доли градовых и дождевых осадков могут варьировать в широких пределах. Вклад градовых осадков увеличивается с увеличением радиолокационной отражаемости. При 210 < 45 вероятность градовых осадков ничтожно мала, в области 45 < 2 < 65 вклад градовых осадков увеличивается, а при 2 > 65 основной вклад вносят градовые осадки. Воспользовавшись этим, общую интенсивность смешанных осадков можно рассчитать по алгоритму:
Д при 210 < 44
^Е =1(1 - к) • Г + к • 1в.Гг при 45 < г1()п < 70, Гг при 210 > 71
где эмпирический коэффициент к = 0,04210 - 1,7.
Зависимости (1) более универсальны во всем диапазоне интенсивности осадков, чем соотношения, приведенные в табл. 2.
Количество осадков за весь период осадков (слой осадков) на каждой элементарной площадке площади обзора рассчитывается путем суммирования во вре-
N
мени: Q = X Г;, где Ji - интенсивность осадков в 1-й
1=1
промежуток времени Д/; N - число радиолокационных циклов обзора пространства.
Этот алгоритм измерения осадков реализован в программном обеспечении автоматизированной радиолокационной системы «АСУ-МРЛ».
С целью оценки точности радиолокационных измерений осадков в горных районах, а также оценки надежности предлагаемой системы оповещения в 2003 - 2006 гг. проведены экспериментальные радиолокационные измерения осадков на системе «АСУ-МРЛ» Кызбурунского научно-исследовательского полигона ВГИ. Наземные измерения осадков проводились с помощью плювиографов, размещенных в
равнинных и горных районах на различном удалении от радиолокатора (от 12 до 70 км). Для пространственно-временного совмещения данных была осуществлена спутниковая привязка координат радиолокационных и наземных пунктов наблюдений.
Сравнение радиолокационных данных с данными сети плювиографов показало, что среднеквадратичная погрешность измерения количества осадков составляет около 38 % (рис. 2). Коэффициент корреляции между данными радиолокационных и наземных измерений составляет 0,92. Анализ экспериментальных данных показал, что предложенный радиолокационный метод измерения осадков в горных районах дает более точный результат, чем традиционные методы, не учитывающие рельефа местности, а также наличие в ливневых осадках градовой компоненты.
35
30
25
20
15
10
D
Qn = 1,07 Qr R?= 0, + 0,21 92
Л
/
Jr**
10
25
30
35
15 20
Опл, ™
Рис. 2. Количество осадков по радиолокационным (по оси ординат) и наземным плювиографическим (по оси абсцисс) измерениям
Радиолокационная система оповещения о ливневых паводках и селях
Предложенный метод оповещения о паводках и селях может быть реализован с помощью автоматизированной радиолокационной системы оповещения (АРСО), блок-схема которой представлена на рис. 3. АРСО содержит центральный пульт (ЦП) и систему абонентских пультов (АП). Центральный пульт состоит из метеорологического радиолокатора МРЛ-5, автоматизированной системы обработки радиолокационной информации «АСУ-МРЛ», выход которой соединен с радиомодемом, служащим для передачи сигналов оповещения на абонентские пункты. Каждый абонентский пульт содержит радиомодем, компьютер (абонентский терминал) и исполнительные сигнальные устройства (сирены, громкоговорители, световые табло и т.п.).
Для практической реализации метода создается цифровая карта местности радиусом репрезентативности радиолокационных измере-
Ч
й
=5
и
i
ний осадков (и 100 км). На этой карте с использованием кадастра селеопасных очагов выделяются и нумеруются селевые бассейны и отдельные селеопасные очаги, условными знаками наличие селеобразующих факторов: ледников, снежников, озер, подверженность оползням и обвалам, определяются границы их водосборов в координатах относительно радиолокатора. Эта карта с пороговыми значениями сумм осадков, достаточных для формирования паводка или селя, вводится в память компьютера АСУ.
Измерение осадков с помощью «АСУ-МРЛ» осуществляется круглосуточно с 3-минутными циклами обзора пространства. При этом радиолокационные сигналы на двух длинах волн поступают в аппаратуру первичной обработки радиолокационных сигналов (АПРС), обеспечивающую аналогово-цифровое преобразование сигналов с разрешающей способностью 500 м по дальности и 1,0° по азимуту. Усредненные сигналы по каждому дискрету дальности и азимута вводятся в компьютер «АСУ-МРЛ», в котором осуществляется подавление мешающих отражений от местных предметов, пространственно-временное осреднение радиолокационных сигналов, коррекция их на квадрат расстояния. С фотоэлектрических преобразователей радиолокатора МРЛ-5 в компьютер поступает информация об угловом положении антенны. По этим данным в «АСУ-МРЛ» вычисляется количество осадков по ячейкам площади обзора 500x500 м и их суммирование по площади водосбора каждого селеопасного очага, граница которого заранее внесена в ЭВМ. Измерение Q1, Q2, Qз и расчет Qs осуществляются круглосуточно над всеми селеопасными очагами.
Количество осадков Q¿, полученное для каждого паводкового и селеопасного очага, систематически сравнивается с заранее известным пороговым значением, необходимым для формирования селей и паводков ливневого происхождения, и в момент достижения Qz порогового для данного очага количества осадков вырабатывается сигнал оповещения о паводковой и селевой опасности, который посредством радиомодема центральной радиостанции системы оповещения передается на абонентские пункты оповещения.
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПУЛЬТ (ЦП)
Компьютер IVntiwn IV
АЦП О
РСД-720
I J.
Принтер
=0
Устройство сгязн (р адномо дем ;)
АБОНЕТСКИИ ПУЛЬТ СЕЛЕОПОВЕЩЕНИЯ (АПС)
Аноштнческин с е ле о п оке ТИТС" дь (з bykobok, пето гей)
Абонентское устройство (компьютер)
Устройство связи (р адномо дем)
Рис. 3. Блок-схема автоматизированной системы оповещения о паводках и селях ливневого происхождения
Передача сигналов оповещения для каждого селеопас-ного очага сопровождается специальным кодом, который однозначно идентифицирует очаг с учетом его координат. Абонентское сигнальное устройство через свой радиомодем посылает сигнал подтверждения приема и запрос на повторную передачу данных в случае ошибочного приема. Абонентское устройство может содержать компьютер для получения сигналов оповещения и управления световыми, звуковыми сигнализаторами, а также передачи информации потребителям.
Предлагаемый метод и система оповещения обеспечивают максимально возможную заблаговремен-ность оповещения, которая складывается:
- из времени стока осадков, выпавших в паводковое или селевое русло (« 1-2 ч);
- заблаговременности ожидаемых осадков, недостающих для формирования селя или паводка и времени их стока, составляющей около 2-3 ч;
- времени формирования паводка и селя около получаса;
- времени движения паводкового или селевого потока до оповещаемых объектов, которое может составлять порядка получаса (при скорости движения потока 5-10 м/с и расстоянии до объектов 10 км).
Таким образом, заблаговременность оповещения предлагаемым методом составляет от 1 до 5-6 ч, которого достаточно для эвакуации людей и движимого имущества.
Преимуществами предлагаемого способа и устройства оповещения о селях и паводках ливневого происхождения являются:
- значительное повышение заблаговременности оповещения;
- возможность охвата одним радиолокатором многих паводковых и селеопасных очагов, разбросанных на обширной территории;
- удобство организации и обслуживания автоматизированной сети оповещения;
- экономичность, долговечность и надежность системы оповещения.
Радиолокационная сеть оповещения о селях и паводках ливневого происхождения может обеспечить экономический эффект, исчисляемый многими миллионами рублей в год [9]. Стоимость одного радиолокационного устройства оповещения оценивается в 19 млн руб. (в том числе стоимость радиолокатора МРЛ-5 -17 млн руб.). Затраты на создание службы оповещения могут быть существенно сокращены при ее реализации в рамках Северо-Кавказской радиоло-кационной сети оповещения об опасных явлениях погоды на базе имеющихся на местах радиолокаторов МРЛ-5.
Результаты апробации метода оповещения
Апробация предложенного радиолокационного метода оповещения о паводках и селях ливневого происхождения показала возможность надежного оповещения о паводках и селях ливневого генезиса с заблаговременностью несколько часов на обширных территориях (в радиусе около 100 км).
На рис. 4 представлен пример радиолокационной карты количества осадков в районе разрушительного паводка, наблюдавшегося 19.08.05 г. в п. Звездный,
расположенном западнее г. Нальчик. Слой осадков, выпавших в этот день с 1859 до 2243 в водосборе, обычно полусухого русла р. Шалушка, превысил 40 мм. Из рис. 4 следует, что даже без учета осадков в предыдущие дни и ожидаемого количества осадков, можно уверенно говорить о паводковой опасности.
Рис. 4. Карта слоя осадков, выпавших 19.08.2005 г. с 1859 до 2243 в водосборе р. Шалушка, где наблюдался интенсивный паводок (район паводка выделен кольцом)
Аналогичным образом уверено локализованы паводки, наблюдавшиеся 21.06.05 г. в русле р. Баксан в районе с. Баксаненок и русле р. Малка в районе с. Псыхурей, а также в районе ст. Новопавловской. Надежно обнаружен серьезный паводок, отмечавшийся 10.07.05 г. в районе г. Зеленокумска, расположенного на расстоянии около 100 км от пункта наблюдений, где слой осадков достиг 80 мм. Метод позволяет успешно обнаружить не только разрушительные паводки, но и относительно не опасные (например, паводки в г. МинВоды 18.07.2003 г. и Георгиевске 19.07.2003 г.). Каждый локализованный по радиолокационным данным случай небольших паводков в г. Нальчик, приводящий к обильному стоку ливневой воды по улицам города и переполнявший ливневую канализацию, подтверждался в реальном масштабе времени еще в процессе наблюдений (по телефону).
Следует отметить, что при наличии градовых осадков они дают наибольший вклад в суммарное количество осадков. Чем мощнее градовый процесс, тем больше вклад града в суммарное количество осадков. Поэтому мощные градовые процессы на Северном Кавказе практически всегда приводят к паводкам. Ливневые осадки без града также приводят к паводкам, но при большей длительности осадков. В большинстве случаев грозоградовые облака содержат несколько конвективных ячеек. Поэтому при многоячейковых процессах могут образоваться паводки вдоль траектории перемещения каждой мощной ячейки. Например, такие паводки 06.07.03 г. сформировались севернее и северо-восточнее г. Тырныауз (бассейны р. Малка и Баксан), в бассейне р. Чегем, а особенно сильный паво-
док сформировался восточнее села Лескен в бассейне р. Урух, где слой осадков достиг более 40 мм.
Таким образом, данные полевых радиолокационных и наземных наблюдений показали достаточно высокую надежность диагноза паводковой ситуации по данным радиолокационных наблюдений и возможность заблаговременного оповещения о ливневых паводках еще на стадии выпадения осадков и формирования их стока в паводковые русла.
Из вышеизложенного следует, что практическая реализация предложенного радиолокационного метода и системы оповещения о паводках и селях ливневого происхождения может значительно повысить заблаго-временность оповещения, охватить системой оповещения обширные районы и существенно сократить многомиллионный материальный ущерб и человеческие жертвы.
Создание такой системы может осуществляться на базе существующих технических средств: метеорологического радиолокатора МРЛ-5, автоматизированной радиолокационной системы «АСУ-МРЛ», современных средств связи и передачи информации и средств сигнализации. Для этого необходима дальнейшая экспериментальная проверка метода, создание цифровых карт и кадастров паводковых и селеопасных очагов, практическая реализация радиолокационной системы оповещения, включая создание абонентских
Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик
пунктов и системы передачи информации до потенциальных потребителей.
В заключение авторы выражает глубокую благодарность научному руководителю работы проф. М.Т. Абшаеву и сотрудникам отдела активных воздействий ГУ ВГИ за помощь в создании действующего образца радиолокационной системы оповещения АРСО, проведении полевых радиолокационных и наземных исследований для апробации предложенного метода оповещения.
Литература
1. Андреев Ю.Б., Сейнова И.Б. // Модельно-статисти-ческий подход к разработке прогноза ливневых селей на примере Высокогорного Центрального Кавказа. Нальчик, 1984. Сер. 5. № 4.
2. Атлас Д. Успехи радарной метеорологии. Л., 1967.
3. Баттан ЛДж Радиолокационная метеорология. Л., 1967.
4. Боровиков А.М., Костарев В.В., Мазин И.П., Черников А.А. Радиолокационные измерения осадков. Л., 1967.
5. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Л., 1988.
6. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. Л., 1973.
7. Абшаев А.М., Лиев К.Б., Тебуев А.Д. Радиолокационная система оповещения о селях и паводках ливневого происхождения. Нальчик, 2002. Т. III. С. 121-127.
8. Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Лиев К.Б., Тебуев А.Д. Радиолокационный метод оповещения о селях и паводках. Нальчик, 2005. С. 103-110.
9. Димаксян А.М. Радиооповеститель селя (РОС). Л., 1966.
14 апреля 2007 г.
