Оценка эффективности засева градовых облаков Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 551.509.616

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАСЕВА ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ © 2007г. Ю.В. Болгов, В.С. Инюхин, Х.М. Калов

For the first time influence of efficiency of seeding means on success realization of seed is considered. For this purpose the comparison of a temporary course of cloud parameters with the moments of seed realization is spend. For a rating of seeding efficiency the essentially new criterion -probability of successful seed realization, taking into account complex of characteristics and conditions of anti-hail rockets application is used.

Проблема борьбы с градом до сих пор не имеет законченного решения [1]. Оценка практических результатов противоградовых работ свидетельствует о возможности успешного подавления градооб-разования в большинстве случаев [2, 3], тем не менее отмечаются случаи пропуска градобитий, и чаще всего это наблюдается при воздействии на мощные градовые процессы.

В данной работе представлены результаты анализа активных воздействий (АВ) на мощные градовые процессы (объекты 4-й категории - классификация по степени градоопасности [4]), проходившие над территорией Кабардино-Балкарской Республики. При анализе впервые рассмотрено влияние эффективности средств засева на успех проведения воздействия. Для этого проведено сопоставление временного хода параметров конвективных ячеек (КЯ) с моментами проведения засевов. Для оценки эффективности засевов использован принципиально новый критерий - вероятность проведения успешного засева, который учитывает комплекс тактико-технических характеристик и условий применения противоградовых ракет как основного инструмента проведения АВ.

При использовании ракетного способа засева внесение реагента в облачный слой носит вероятностный характер [5]. Это вызвано тем, что применение ракет сопровождается большим числом случайных факторов, которые приводят к отклонению (рассеиванию) траектории их полета от номинальной траектории. Вероятность прохождения ракеты в слое засева определяется следующем образом. Согласно требованиям технологии [4], внесение реагента производится на уровень изотермы -6±3 °С, что соответствует километровой вертикальной протяженности слоя (±500 м от средней линии высоты слоя засева). В предположении, что траектория противоградовой ракеты (ПГР) лежит в одной плоскости (без учета бокового отклонения), вероятность прохождения ракеты в слое засева в любой точке траектории определяется выражением:

(у-т(х))2

1 """

H засееа+500

P(x) =--—= I e

О y(x)y 2п Нзасева-500

20y(x)2

dy,

(1)

где Нзасева - высота средней линии слоя засева; m(x) -математическое ожидание высоты траектории ПГР; оу(х) - среднеквадратичное отклонение траектории ПГР по высоте; x, у - горизонтальная дальность полета и высота.

Значение oy(x) находится по формуле

( > E(x)

О y(x) =-,

y 0,6745

(2)

где E(x) - вероятное отклонение траектории ПГР по высоте, определяется по технической характеристике кучности боя ПГР - E(x)/x, которая для противоградовых ракет составляет 1/40 1/50.

Среднее значение вероятности прохождения ПГР через слой засева находим из выражения

X P(x)dx

P = _

* (X к-Хн )

(3)

где XH, Xk - координаты начала и конца участка внесения реагента.

Используя Pcp и длину трассы внесения реагента, определим вероятность проведения успешного засева. Решим задачу в следующей постановке. Имеется зона засева с площадью горизонтального сечения 5" и площадь, засеваемая одной ракетой:

Sr=Ld, (4)

где L - длина трассы засева; d - ширина трассы засева, согласно [4], равная 1 км.

Минимально необходимое число ракет к для проведения засева определяется из условия перекрытия площади 5 трассами засева -к=5/5г.

Число ракет к определено из условия, что вероятность прохождения ПГР как носителя реагента через слой засева равна единице. Для случая, когда вероятность меньше единицы, из условия, что успешно внести реагент в слой должны не менее к ракет, вероятность успешного засева рассчитывается по формуле

Рз.

= X

. 1——!РсР (1 - Рр Г

km!(n - m)!

(5)

где п - общее количество израсходованных ракет; к - минимально необходимое количество ракет для успешного засева.

Данный критерий является показателем эффективности применения технических средств засева и используется далее при анализе результатов АВ.

Один из основных методов оценки физической эффективности АВ на градовые процессы базируется на изменении радиолокационных параметров облака [2, 6-8]. Заключение о степени эффективности противоградовых работ проводится на основе исследования эволюции во времени различных параметров. В качестве основного параметра, характеризующего состояние градовых облаков, в данной работе рассматривается эволюция объема гра-

т

дового очага УГ, который рассчитывается путем суммирования элементарных объемов облака ДУ/,

содержащих град:

N

Vr = ^AVi.

(6)

Критерием наличия града в элементарном объеме являются соотношения:

2,

< А, Z10 > МО"9 см-1,

7 ' '

т

(7)

где 1ЪЛ, 210 - значение радиолокационной отражаемости на длине волны 3,2 и 10 см соответственно; коэффициенты А и Ь определяются выбором используемой для интерпретации радиолокационного сигнала модели микроструктуры града [8].

Кроме этого, рассмотрена эволюция площади выпадения града у земли - &Г и максимальной отражаемости на длине волны 10 см - 2тах.

Далее в работе использованы отношения текущих значений параметров к их максимальным значениям за время эволюции:

Z(t)--

7 max (t)

■;V(t):

Vf (t)

■;S(t)--

S г (t)

(8)

Расчетные значения вероятности успешного засева облака

Таблица 1

На начальном этапе воздействия - 1516 и 1521 Рзасева=0 - зона засева не перекрывалась трассами ракет. В момент времени 1526 обеспечено полное перекрытие (размер площадки засева 60 км2 при расходе 11 ракет). Таким образом, требования технологии [6] по расходу изделий в данном случае выполнены. Однако с учетом вероятности прохождения ракет в слое засева данного расхода недостаточно - Рзасева = 0,15. Как показывает эволюция параметров облака (рис. 1), на временном интервале с 1516 до 1535 зафиксировано незначительное изменение У, уменьшение Б (до момента времени 1529) с последующим ростом. При этом Ъ имела тенденцию к росту. Таким образом, для моментов проведения засева 1516 - 1526 эффект от проведения засева не наблюдается на фоне естественной эволюции параметров конвективной ячейки.

(Z max /max (Vr ) max (S Г )max

Рассмотрим результаты АВ на мощные градовые процессы, проходившие над территорией Кабардино-Балкарии 23.07.05 г. и 10.07.03 г.

23 июля 2005 г. В момент начала воздействия облако классифицировалось как объект 4-й категории -одноячейковая структура с протяженностью навеса радиоэха 5 км. При проведении воздействия использовались ПГР «Алазань-6». Работы проводились с двух пунктов воздействия (ПВ) № 11 и 14 при следующих условиях: высота изотермы -6 °С - 5000 м; высота стояния ПВ 750 м над уровнем моря; угол возвышения пусковых установок 50°. При этих условиях Pcp=0,622 (при длине трассы внесения реагента 6,9 км). В табл. 1 приведены значения площадей зоны засева, количество израсходованных ракет и расчетные значения Рзасева.

На рис. 1 приведены значения Рзасева в моменты засевов и временной ход параметров градового облака: Z, S и V. Максимальные значения данных параметров при этом были равны: Zmax = 72 dBZ; Sr = 84,5 км2; Vr=

600 км3.

1 ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Время № ПВ Количество ракет Площадь зоны засева, км2 Вероятность успешного засева Рзасева

1516 14 6 90 0

1521 14 6 70 0

1526 14 11 60 0,15

1535 14 6 60 0

153' 14, 11 12 50 0,7

1541 14, 11 12 50 0,7

1545 11 3 40 0

1 5:00 1 5:1 0 1 5:20 1 5:30 1 5:40 1 5:50 1 6:00 1 6:1 0

» оздеиствие

Рис. 1. Вероятность успешного засева в моменты воздействия и временной ход параметров градового облака

23 июля 2005 г. Наиболее эффективное проведение засева отмечено в моменты времени 1537 и 1541 (Рзасева =0,7). Это подтверждает временной ход параметров облака. С момента проведения засева в 1537, с учетом времени реакции облака на засев (в данном случае 3 мин) наблюдается снижение V и & С учетом того, что непосредственно в момент засева (1537) V оставался стабильным, а & возрастала, эволюцию параметров конвективной ячейки можно рассматривать как следствие проведения успешного засева. При этом временной ход V более адекватно характеризует момент достижения эффекта воздействия, чем значение 2, так как с момента начала процесса диссипации ячейки (время 1540) значения 2 длительное время остаются характерными для градового состояния облака.

Анализ материалов показал, что в моменты проведения эффективного засева данное воздействие можно считать успешным.

10 июля 2003 г. В момент начала воздействия (1824) облако классифицировалось как объект 4-й категории - одноячейковая структура, навес радиоэха с протяженностью 9 км. Работы проводились с 12 пунктов воздействия с использованием ПГР «Алазань-6», «Алазань-5» и «Алазань-ЧМ15». В табл. 2 приведены значения площадей зоны засева, количество израсхо-

1=1

p

0,0

дованных ракет и расчетные значения Рзасева в моменты проведения АВ. Условия применения ракет были различными (для высоты изотермы -6 °С, равной 4500 м), так как высота стояния ПВ варьировалась от 250 до 1000 м над уровнем моря. У двух ПВ углы возвышения пусковых установок (ПУ) были оптимальны

(ПВ № 20 и 29). Как следствие этого, в моменты засева 1, 2, 13-15 (табл. 2) средняя вероятность прохождения ракет в слое засева была максимальной (если засев проводился с нескольких ПВ, использовались осредненные значения).

Таблица 2

Расчетные значения вероятности успешного засева облака

Количе- Средняя вероятность Площадь, засе- Площадь Вероятность

Время № ПВ Тип ракеты ство прохождения ракеты в ваемая одной ракетой, км2 зоны засева, км2 успешного

ракет слое засева, Рср засева Рзасева

1824 29 Ал-6 5 0,648 7,6 50 0

1829 12, 29 Ал-6 9 0,562 7,6 50 0,4

1837 12 Ал-6 9 0,477 7,6 50 0,2

1845 12 Ал-6 3 0,477 7,6 50 0

1849 5, 12 Ал-6 9 0,477 7,6 50 0,2

1857 5, 12, 18 Ал-6, Ал-5 8 0,477 7,6 40 0,3

1908 18 Ал-5 6 0,477 7,6 40 0,1

1917 18 Ал-5 3 0,477 7,6 40 0

1922 18 Ал-5 6 0,477 7,6 40 0,1

1928 18 Ал-5 6 0,477 7,6 40 0,1

1936 19 Ал-5 6 0,477 7,6 40 0,1

1941 19 Ал-5 3 0,477 7,6 50 0

1958 19, 20 Ал-5 9 0,54 7,6 60 0,05

2006 19, 20 Ал-5 15 0,54 7,6 80 0,2

2018 19, 20 Ал-5 4 0,54 7,6 60 0

2037 3 ЧМ-15 6 0,314 6,4 60 0

2045 3 ЧМ-15 3 0,314 6,4 70 0

2054 3 ЧМ-15 3 0,314 6,4 80 0

2102 3 ЧМ-15 6 0,314 6,4 80 0

2114 1, 3, 8, 14 Ал-5, ЧМ-15 23 0,408 6,8 90 0,1

2129 8, 11 Ал-5 21 0,374 7,1 80 0,1

2141 8, 14 Ал-5 6 0,285 6,4 50 0

2159 8, 14 Ал-5 6 0,285 6,4 40 0

В остальных случаях снижение Pcp явилось следствием выбора не оптимального угла возвышения ПУ. При проведении засевов в 12 случаях требования технологии по перекрытию зоны засева трассами ракет были выполнены (в табл. 2 п. 2, 3, 5-7, 9-11, 13, 14 , 20 и 21). Однако только в пяти случаях Рзасева >0,2 (в табл. 2 п. 2, 3, 5, 6 и 14). На рис. 2 приведены значения Рзасева в моменты засевов и временной ход приведенных параметров градового облака: Z, S и V (нумерация засевов соответствует табл. 2). Максимальные значения данных параметров при этом были равны: Zmax= 75 dBZ; Sr= 92,7 км2; Vr= 658 км3.

Эволюция параметров облака в моменты проведения наиболее эффективных засевов показывает:

- засев № 2 (табл. 2, время - 1829), Рзасева =0,4. Через 10 мин после проведения засева фиксируется начало снижения V и S. С учетом того, что до засева наблюдался рост данных параметров, их снижение можно рассматривать как реакцию конвективной ячейки на проведение засева;

- засевы № 3 и 5 (время - 1837 и 1849), Рзасева =0,2. Непосредственно после засева № 3 и в момент засева № 5 наблюдалось снижение V и S, что не

позволяет судить об эффекте засева на фоне естественной эволюции параметров облака;

- засев № 6 (время - 1857), Рзасева =0,3. Непосредственно после засева зафиксировано увеличение V - наблюдается рост объема в течение 3 мин, затем около 9 мин объем оставался стабильным, а затем наблюдается его спад. С учетом того, что Рзасева =0,3, в данном случае можно говорить о реакции конвективной ячейки на проведение засева;

- засев № 14 (время - 2006). В момент засева фиксировалось увеличение V - наблюдается рост объема в течение 7 мин, после этого объем остается стабильным на протяжении 12 мин. С учетом того, что Рзасева=0,2 в данном случае можно сказать о незначительной реакции облака на проведение засева.

В моменты проведения засевов с № 8 по 10 (время с 1917 до 1928) фиксировался спад V. Фактически наблюдался процесс диссипации конвективной ячейки с последующей регенерацией и интенсивным ростом V (1930 - 1950). С учетом низкой эффективности воздействия - Рзасева <0,1 (с № 7 по 12) выявить эффект от проведения засева в данном случае не представляется возможным.

Анализ материалов показал, что данное воздействие нельзя рассматривать как успешное, что подтверждается продолжительностью самого градового процесса (около 5 ч). Засевы отличались низкой эффективностью, и в данном случае наблюдалась лишь некоторая реакция облака на проведение воздействия.

По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Введенный критерий - вероятность успешного засева адекватно определяет успех воздействия,

что подтверждается временным ходом параметров конвективных ячеек. Время реакции облака на засев варьируется от 3 мин (при Рзасева =0,7) до 10 при засевах с низкой эффективностью (Рзасееа <0,4). При этом Рзасееа =0,2 можно принять за пороговое значение эффективности засева, при котором можно выделить реакцию конвективной ячейки на воздействие на фоне естественной эволюции ее параметров.

P з

18:00 18:20 18:40 19:00 19:20 19:40 20:00 20:20 20:40 21:00 21:20 21:40 22:00 22:20 22:40

Время

Рис. 2. Вероятность успешного засееа е моменты воздействия и временной ход параметров градового облака

10 июля 2003 г.

2. При воздействии на мощные градовые процессы эффективность проведения засевов в большинстве случаев низкая. Это обусловлено субъективным подходом к выбору углов возвышения ПУ. Следствием этого является неоптимальное положение траекторий ПГР относительно слоя засева. Кроме того, перекрытие площадки засева трассами ракет (согласно действующим нормам расхода изделий) не является гарантией проведения успешного воздействия, так как при этом не учитывается вероятностный характер внесения реагента в слой засева.

3. Установлено, что наиболее информативной характеристикой реакции облака на проведение засева является эволюция объема градового очага -V. Временной ход V более адекватно характеризует момент достижения эффекта воздействия, чем значение максимальной отражаемости X, так как с момента начала процесса диссипации КЯ значения X длитель-

ное время остаются характерными для градового состояния облака.

Таким образом, причина низкой эффективности воздействия на ОВ 4-й категории может быть заключена не только в сложности термодинамических условий формирования, строении и динамике развития таких облаков, но и в эффективности применения ПГР.

Литература

1. Абшаев М.Т. и др. // Всесоюз. конф. по АВ на гидромет. процессы. Л., 1990. С. 181-185.

2. Кудлаев Э.М. и др. // Обозрение прикладной и промышленной математики. М., 1995. Т. 2. Вып. 2. С. 223 - 253.

3. Руководящий документ РД 52.37.596. Инструкция по активным воздействиям на градовые процессы. М., 1998.

4. Абшаев М.Т., Болгов Ю.В. // Тр. ВГИ. 2002. Вып. 92. С. 172-179.

5. Абшаев М.Т. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. № 5. С. 483-494.

6. Болгов Ю.В. и др. // Тез. Всерос. конф. по ФО и АВ на гидромет. процессы. Нальчик, 2005. С. 123.

7. Инюхин В. С. // Докл. Всерос. конф. по ФО и АВ на гидромет. процессы. СПб., 2001. С. 189-202.

Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик

10 апреля 2007 г.