CC BY
23
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 551.509.616 DOI 10.18522/0321-3005-2015-4-5-12
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РЕАЛИЗАЦИИ РОССИЙСКОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОТИВОГРАДОВОЙ ЗАЩИТЫ
© 2015 г. М.Т. Абшаев, И.В. Меркулова
Абшаев Магомет Тахирович - доктор физико-матема- Abshaev Magomet Takhirovich - Doctor of Physical and
тических наук, профессор, заместитель директора по Mathematic Science, Professor, Deputy Director on Weather
активным воздействиям на метеорологические и другие Modification, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin
геофизические процессы, Высокогорный геофизический Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, е-mail: [email protected] институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-mail: [email protected]
Меркулова Инна Васильевна - соискатель, Высокогорный Merkulova Inna Vasilievna - Competitor, High-Mountain
геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030,
360030, е-mail: [email protected] е-mail: [email protected]
Приводятся результаты анализа качества реализации российской автоматизированной ракетной технологии проти-воградовой защиты в реальных условиях на основе изучения воздействия на градовые процессы, проведенного Ставропольской противоградовой службой в период с 2005 по 2013 г. Показано, что при воздействии на сверхмощные градовые облака применяемая организационно-техническая система не в полной мере обеспечивает реализацию требований технологии и физической концепции предотвращения града. Выявлены основные проблемы, снижающие эффективность противоградо-вых операций, их повторяемость и даны рекомендации по совершенствованию системы защиты и дальнейшему повышению ее эффективности.
Ключевые слова: технология противоградовой защиты, реализация, анализ, качество выполнения противоградовых операций, эффективность, организационно-технические проблемы.
On the basis of the analysis of realization quality of the Russian automated rocket antihail technology it is shown, that the applied organizational-technical hail suppression system not to the full provides performance of requirements technology (especially in cases of supercell storms). The basic problems, their repeatability are revealed and recommendations about perfection of hail suppression system for increase of its efficiency are given.
Keywords: hail suppression technology, realization, analysis, quality of antihail operations performance, efficiency, organizational-technical problems.
Производственные работы по защите сельхозкультур от градобития в Российской Федерации осуществляются в наиболее градоопасных районах Северного Кавказа с 1964 г. с применением российской автоматизированной ракетной технологии [1]. Эффективность защиты повышается по мере развития представлений о механизме образования града, совершенствования технологии и технических средств активного воздействия (АВ) на градовые процессы и в последние годы обеспечивает сокращение ущерба от града на 85-90 % [2], что превышает эффективность технологий с применением авиации, артиллерии и наземных генераторов.
Однако и эта технология не может гарантировать 100-процентной эффективности защиты. Это в
первую очередь связано со сложностью и недостаточной изученностью градовых процессов и возможностью того, что технология АВ не учитывает неизвестных особенностей строения и динамики развития градовых облаков и их кластеров.
Вместе с тем, как будет показано ниже, недостаточная эффективность предотвращения града и случаи его выпадения на защищаемой территории (ЗТ) отмечаются из-за неполной реализации требований технологии воздействия на градовые процессы. Наиболее часто эти требования нарушаются при воздействии на сверхмощные градовые облака, относящиеся к объектам воздействия (ОВ) IV категории, которые вторгаются на ЗТ в стадии квазистационарного состояния, а иногда развиваются над ней даже в процессе воздействия.
Целью настоящей работы является оценка качества реализации требований технологии воздействия на градовые процессы в реальных условиях противоградовой защиты (ПГЗ).
Оценка приведена на основе анализа материалов воздействия на градовые процессы Ставропольской военизированной службой (ВС) по АВ на метеорологические и другие геофизические процессы в период с 2005 по 2013 г., с применением российской технологии ПГЗ, которая предусматривает ракетный засев кристаллизующим реагентом (на основе Agi) четырех категорий объектов воздействия (ОВ):
- потенциально градоопасных облаков (ОВ
I категории);
градоопасных развивающихся облаков (ОВ
II категории);
- градовых облаков (ОВ III категории);
- сверхмощных градовых облаков (ОВ IV категории).
Распознавание категорий ОВ осуществляется по критериальным значениям одномерных, двумерных и трехмерных радиолокационных параметров облаков, приведенных в табл. 1 и характеризующих
Критерии распознавания
степень их градоопасности, а также тенденцию развития:
- высота максимума радиоэха над уровнем изотермы 0 °С (АНгт, км);
- максимальная отражаемость на длине волны X = 10 см {2т, авг);
- высота над уровнем изотермы 0 0С верхней границы объемов радиоэха с 0 = 25, 35 и 45 dBZ соответственно (АИ2^. АН35 и АН45, км);
- максимальное значение водосодержания вертикального столба облака в слое выше уровня изотермы 0 °С (Лд,„, кг/м2);
- интегральное водосодержание объемов облака в слое выше уровня изотермы 0 0С, ограниченных изолиниями = 25, 35, 45 и 55 dBZ соответственно (АМ25, АМ35, АМ45 и АМ55, Кт);
- скорость прироста во времени значений Ддт (с1Ацт/(М, кг/м2-мин);
- скорость прироста во времени значений ЛМ25, АМ35 (сМ25!Л и СМ35/Л, т/мин).
При этом значения АНгт, ¡АНп, ДЧт и ДМ^ характеризуют степень градоопасности облаков, а значения /Л и (^¿^Ж - их тенденцию развития (или ослабления).
Таблица 1
ОВ различных категорий
Категория ОВ Критериальные значения параметров облаков
I 0< AHZm< 5 15< Zm< 45 Mm > 0,5 AM25 > 103 dAqm /dt > 0,2 dAM25 > 0
II AH35 > 3 Zm> 45 Aqm > 2 AM35 >2-104 dAqm /dt > 0,2 dAM35 > 0
III ЛН45 > 3 Zm > 55 Aqm > 8 AM45 > 2-104 dAqm /dt > 0 dAM35 > 0
IV ДН45 > 4 Zm > 65 Aqm >16 ДМ55 >2-105 - -
Засев ОВ осуществлялся противоградовыми изделиями (ПГИ) «Алазань-6», вносимыми в области нового роста с момента их обнаружения до тех пор, пока их параметры соответствовали критериям засева. При этом в большинстве случаев воздействия на ОВ I категории достаточно однократного засева, на ОВ II категории - двукратного, на ОВ III категории - трехкратного, а на ОВ IV категории — четырехкратного.
Однако в некоторых случаях при воздействии на ОВ IV категории и близкие к ним по мощности ОВ III категории прерывание града достигается только в результате многократного засева, а в некоторых случаях достигается лишь уменьшение его интенсивности. Для выяснения возможных причин недостаточной эффективности предотвращения града рассмотрим детали реализации технологии ПГЗ в реальных условиях.
Анализ экспериментального материала
В табл. 2 приведены статистические данные о числе засеянных ОВ различных категорий и расход противоградовых изделий (ПГИ).
Из табл. 2 следует, что с 2005 по 2013 г. отмечается тенденция увеличения числа засеваемых ОВ III и IV категорий, обусловленная повышением частоты и интенсивности градовых процессов в Ставропольском крае [3, 4]. Доля расхода ПГИ, приходящаяся на проведение АВ по предотвращению развития облаков в градовое состояние, т.е. для засева ОВ I и II категорий, составляет около 20 % от суммарного годового расхода ПГИ, из них на засев ОВ I категории тратится не более 2 %. Не менее 80 % расхода ПГИ приходится на засев ОВ III и IV категорий с целью прерывания выпадения града из градовых и сверхмощных градовых облаков.
Таблица 2
Число засеянных ОВ в 2005-2013 гг.
Годы защиты Число засеянных ОВ различной категории Расход ракет, шт.
I II III IV Всего Всего На 1 ОВ На 100 тыс. га
2005 1 158 94 5 258 3517 14 515
2006 - 78 74 21 173 3057 18 450
2007 - 179 235 27 441 5375 12 790
2008 - 275 289 50 614 6843 11 925
2009 - 333 217 22 572 6316 11 855
2010 - 247 144 7 398 4119 10 557
2011 147 317 165 7 636 4668 7 556
2012 83 344 250 11 688 6850 10 816
2013 17 194 317 56 584 7642 13 910
Среднее 62 236 198 23 485 5376 12 708
Воздействия на ОВ IV категории в Ставропольском крае дают около 60-70 % ущерба. Прерывание града из них требует максимально быстрого и точного выполнения противоградовых операций, зависит от способности организационно-технической системы выполнить требования технологии воздействия и выявляет нарушения требований технологии ПГЗ. Поэтому оценку качества выполнения противоградовых операций целесообразно провести именно на случаях воздействия на ОВ IV категории. Такая оценка может установить основные причины пропусков градобитий на ЗТ с целью их устранения и повышения эффективности ПГЗ.
Оценка качества воздействия на ОВ IV категории была проведена на основе анализа трансформации во времени их параметров в процессе засева.
Количество засеянных ОВ в сезонах 2007-2011 гг., к
При этом ОВ были разделены на две группы (табл. 3):
ОВ, которые в начале засева относились к IV категории;
- ОВ, которые переросли в эту категорию в процессе воздействия.
Из табл. 3 следует, что из 1333 засеянных за 5 лет в среднем 18,2 % ОВ II категории в процессе воздействия перерастали в ОВ III категории, а 1,5 % - в ОВ IV категории. Из 1050 засеянных за 5 лет ОВ III категории 10,7 % переросли в ОВ IV категории в процессе воздействия. Это свидетельствует о том, что воздействие на указанные доли ОВ II и III категорий было неэффективным или недостаточно эффективным из-за причин, приведенных в табл. 4, которые лучше выделяются при воздействии на ОВ IV категории.
Таблица 3
егория которых изменялась в процессе воздействия
ОВ, переросшие в более высокую категорию в процессе АВ 2007 2008 2009 2010 2011
Число ОВ % Число ОВ % Число ОВ % Число ОВ % Число ОВ %
ОВ II категории: - всего засеяно ОВ; 179 100 275 100 333 100 247 100 317 100
- переросли в ОВ III категории; 53 29,6 5 3 19,3 67 20,1 50 20,2 64 20,2
- переросли в ОВ IV категории 4 2,2 5 1,8 7 2,1 2 0,8 3 0,9
ОВ III категории: - всего засеяно ОВ; 235 100 289 100 217 100 144 100 165 100
- переросли в ОВ IV категории 13 5,5 43 14,9 29 13,4 23 16 6 3,6
ОВ IV категории 27 100 50 100 22 100 7 100 7 100
Оценка основных нарушений технологии
Для проведения оценки были выбраны по два года с примерно одинаковыми показателями градо-опасности года - это 2007 и 2008, 2010 и 2011 гг. Всего отобрано по параметрам в момент начала воздействия и в момент максимального развития 191 ОВ IV категории, в том числе в 2007 г. - 44 ОВ, в 2008 г. - 99, в 2010 г. - 32 и в 2011 г. - 16 ОВ. По этим ОВ были проанализированы имевшие место
нарушения технологии проведения противоградо-вых операций, могущие привести к снижению эффективности воздействия. Перечень этих нарушений представлен в табл. 4 с учетом перехода ОВ из III в IV категорию. Следует отметить, что может быть несколько нарушений при засеве одного ОВ.
Из рис. 1 и табл. 4 следует, что наиболее часто повторяющимися нарушениями при проведении противоградовых операций являются:
недостаточный засев или отсутствие массированного засева из-за экономии ПГИ (22 % случаев);
отсутствие или недостаточная ширина зоны предзащиты (18,8 %);
недостаточная скорострельность ПВ (14,7 %), связанная с применением ракетных пусковых установок (ПУ) с ручным управлением и 12 направляющими, что приводило к перерывам (до 8 мин) в проведении засева в периоды перезарядки ПУ;
недостаточное упреждение на перемещение ОВ (11 %);
Основные нарушения требо
большие мертвые зоны засева применяемых ПГИ «Алазань-6» (4,0-4,5 км), которые не перекрывались соседними ПВ (10,2 % случаев).
В совокупности эти нарушения отмечаются в 77 % случаев АВ и являются основными причинами снижения эффективности ПГЗ не только в Ставропольской, но и в других ВС Росгидромета. Это показывают ежегодные анализы пропусков града на ЗТ, выполняемые научно-методическим руководителем противоградовых работ (ФГБУ «ВГИ»).
Таблица 4
ий технологии воздействия
Характерные нарушения в выполнении требований технологии воздействия, имевшие место в процессе проведения противоградовых операций Число засеянных ОВ, отнесенных к ОВ IV категории по значениям параметров
в момент начала АВ в момент максимального развития Всего ОВ % от числа засеянных ОВ
1. Нарушения технологии АВ:
- опоздание с началом АВ 6 11 17 2,3
- неточное выделение зоны засева 20 33 53 7,2
- недостаточный засев 71 91 162 22
- ошибка выбора высоты засева 0 0 0 0
- отсутствие или недостаточное упреждение на перемещение ОВ 40 41 81 11
2. Нехватка ПГИ на засев:
- закончился запас ПГИ на ПВ 3 4 7 0,9
- перерывы засева из-за перезарядки ракетных установок 59 49 108 14,7
3. Отказ технических средств 14 12 26 3,5
4. Запретные сектора для пуска ПГИ 20 24 44 6
5. Отсутствие зоны предзащиты 63 75 138 18,8
6. Другие причины:
- множество одновременно засеваемых ОВ 3 5 8 1,1
- мертвые зоны или недостаточное перекрытие ПВ 39 36 75 10,2
- засев другого ОВ 9 4 13 1,8
- засев ОВ не проведен 1 3 4 0,5
Итого нарушений 348 388 736 100
Количество ОВ 92 99 191
□ Ошибки в выделении места засева
□ Опоздание с начатом засева
□ Недостаточный засев 12°/о ^ введено необходимое унрездение на перемещение ОВ
Н Нехватка III И на засев
□ Недостаточная скорострельность применяемых ТТУ 0 Отказ применяемьктехнпческих средств
□ Наличие запретных секторе» пускаПГИ о Отсутствие зон предзащиты В Множество близкорасположенных ОВ на ЗТ Ш Мертвые зоны засева или недостаточное перекрыше ПВ в Засев другого ОВ
■ Засев не проведен
Рис. 1. Повторяемость основных нарушений технологии АВ на градовые процессы
15%
Недостаточное упреждение в дальнейшей работе было устранено за счет автоматизации, предусмотренной в программном обеспечении применяемой системы управления противоградовыми операциями АСУ-МРЛ. Мертвые зоны засева и недостаточное их перекрытие соседними ПВ могут быть устранены за счет перехода на применение ПГИ «Ас». Поэтому рассмотрим более подробно 3 других наиболее часто встречающихся нарушения технологии АВ, доля повторяемости которых составляет более 50 % в общем количестве нарушений.
Недостаточный засев
Нормы расхода ПГИ на засев одного ОВ регламентированы в действующем руководящем документе по организации и проведению ПГЗ [5] и находятся в прямой зависимости от площади проекции объема засева на горизонтальную поверхность. В связи с этим корректное построение площадок засева и полное перекрытие этих площадок трассами ПГИ является необходимым условием успешного воздействия. Однако на практике засева это требование, как правило, не выполнялось (рис. 2).
Рис. 2. Реальный и требуемый расход ПГИ в каждом фрагменте засева, следующем через 3,5 мин, в указанные годы
Отмечается систематический недозасев ОВ IV категории вместо массированного (перекрестного) засева, что приводило к недостаточной эффективности АВ и, как следствие, к многократному повтору засева и перерасходу ПГИ.
Из рис. 2 следует, что коэффициент засева ОВ не достигал даже 50 % требуемого. Особенно низкий коэффициент засева отмечался в 2010-2011 г. как для ОВ, которые были IV категории в момент начала засева, так и переросших в IV категорию в процессе засева. Среди 668 рассмотренных фрагментов засева встречаются только 23 фрагмента (3 %), в которых реальный расход ПГИ равен или превышает требуемый по технологии расход, из них 12 - в 2007 г. и 11 - в 2008 г.
Таким образом, в подавляющем числе фрагментов засева ОВ имеет место недозасев, обусловленный недостаточной скорострельностью применяемых ПУ, запретными секторами, непро-стреливаемыми участками на ЗТ, нехваткой ПГИ, отсутствием или недостаточной шириной зоны предзащиты. Недозасев ОВ не обеспечивает достижения желаемого эффекта, приводит к необходимости многократного повтора засева и лишнему расходу ПГИ. Несмотря на большой суммарный расход ПГИ, не удается добиться прерывания выпадения града, а возможны лишь некоторое ослабление градобития, сужение полосы града и его интенсивности.
Отсутствие зон предзащиты
Зоны предзащиты создаются со стороны преимущественного вторжения градовых облаков на ЗТ. Ее протяженность должна быть не менее 10 км, чтобы обеспечить нормальный засев наветренного и правого фланга навеса радиоэха градовых облаков до начала выпадения града на ЗТ. В облаках с правосторонним развитием зона засева располагается с правой стороны относительно перемещения ОВ, а в облаках с левосторонним - с левой. Создание такой зоны предзащиты требует размещения ПВ за границами ЗТ со стороны преимущественного вторжения градовых облаков.
В ВС Росгидромета это требование технологии практически не соблюдается, в результате чего наиболее ответственный наветренный фланг ОВ не удается засеять, так как он находится за пределами доставания ракетных пунктов. Это наглядно показано на рис. 3, где представлен пример фрагмента засева суперячейкового градового облака 30.08.2008 г.
К сожалению, это далеко не единичный случай. За 5 рассматриваемых лет он встречается на 188 фрагментах засева.
Недостаточная оперативность засева
Одним из наиболее частых случаев невыполнения требований технологии АВ является недостаточная оперативность засева мощных крупномасштабных и быстротечных градовых процессов. Это связано с несоответствием применяемого ракетного комплекса «Алазань-6» требованиям технологии ПГЗ. Ракетные пусковые установки (ПУ) с ручным наведением и 12 направляющими не обеспечивают требуемый темп засева из-за низкой скорострельности. Кроме того, вопреки требованиям технологии, зачастую на ракетных пунктах вместо двух ПУ используется одна. После пуска двух серий ПГИ по 6 шт. в ПУ не остается ПГИ. В период их перезарядки в течение 7-8 мин ракетный пункт не может выполнять команды, а соседние пункты не могут это компенсировать из-за их редкой сети и малого перекрытия зон засева. В результате этого иногда не удается обеспечить требуемый темп засева даже ОВ средней мощности.
Частой помехой (в 14,7 % случаях) в выполнении требований технологии АВ является систематическая нехватка ПГИ и вынужденная их экономия, связанная с недостаточным объемом финансирования для закупки необходимого количества.
Выводы и рекомендации
Проведенная оценка показывает, что причиной недостаточной эффективности воздействия на мощные градовые процессы является не только возможное несовершенство применяемой технологии ПГЗ, но и низкое качество реализации про-тивоградовых операций, связанное с организационно-техническими причинами, приводящими к недозасеву ОВ.
Недозасев приводит к неполной реализации физического принципа предотвращения града, основанного на ускорении осадкообразования в областях будущего градообразования, расположенных в фидерных облаках, питающих основное градовое облако [5]. Для реализации этого принципа в объемах будущего градообразования (в объемах засева) следует создавать концентра-
1 А 7 -3
цию кристаллизующих частиц порядка 10 м .
Рис. 3. Пример фрагмента засева, когда из-за недостаточной ширины зоны предзащиты не удается засеять большую часть площади засева суперячейкового градового процесса 30.08.2008 г. 1925, вторгающегося на ЗТ со скоростью 60 км/ч
Применяемый противоградовый комплекс «Алазань-6» обеспечивает создание такой концентрации при засеве ОВ I, II и локальных ОВ III категории с небольшими объемами засева. В случае ОВ IV категории, имеющих объем засева в среднем около 40 км3, требуется внести не менее 4-1017 льдообразующих частиц. Это означает, что для гарантированного успеха при каждом из четырехкратных засевов ОВ IV категории, выполняемом с интервалом 3,5 мин, требуется вносить не менее 60 ПГИ «Алазань-6», имеющих выход льдообразующих частиц 6,7-10 . К сожалению, это требование, как видно из приведенного анализа, зачастую не выполнялось. Оно может быть выполнено в случае применения противоградово-го комплекса «Ас-Элия», в котором автоматизированная ракетная установка «Элия-2» имеет скорострельность в 3-4 раза выше, чем у приме-
нявшихся установок с ручным управлением, а ПГИ «Ас» имеет выход льдообразующих частиц не менее 1,6-1016.
В связи с этим дальнейшее повышение эффективности ПГЗ требует усовершенствования и комплексной автоматизации системы ПГЗ с целью устранения вышеперечисленных нарушений технологии АВ, включая:
- техническое переоснащение ВС Росгидромета на новые технические средства с заменой физически изношенных и морально устаревших радиолокаторов, ракетных установок и систем управления противоградовыми операциями;
внедрение автоматизированного противо-градового комплекса «Ас-Элия», который может обеспечить необходимый темп засева ОВ любой категории и мощности, имеет малый радиус мертвой зоны;
- расширение зоны предзащиты и решения вопроса взаимодействия соседних ВС при проведении воздействия на смежных территориях.
Литература
1. Абшаев А.М., Абшаев М.Т., Барекова М.В., Малка-рова А.М. Руководство по организации и проведению про-тивоградовых работ. Нальчик, 2014. 508 с.
2. Абшаев М.Т., Малкарова А.М. Оценка эффективности предотвращения града. СПб., 2006. 279 с.
3. Абшаев М.Т., Малкарова А.М. О тенденции изменения климата на Северном Кавказе // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2005. Т. 12, вып. 2. С. 282-283.
4. Абшаев М.Т., Герасименко И.В., Лозовой В.И., Малкарова А.М. О состоянии противоградовой защиты в Ставропольском крае // Тр. ВГИ. Нальчик, 2014. Вып. 99. С. 31-40.
5. РД 52.37.731-2010. Организация и проведение проти-воградовой защиты / М.Т. Абшаев, А.М. Абшаев, А.М. Мал-карова. Нальчик, 2010. 84 с.
References
1. Abshaev A.M., Abshaev M.T., Barekova M.V., Malka-rova A.M. Rukovodstvo po organizatsii i provedeniyu protivo-gradovykh rabot [Guide to the organization and conduct of anti-hail works]. Nalchik, 2014, 508 p.
2. Abshaev M.T., Malkarova A.M. Otsenka effektivnosti predotvrashcheniya grada [Evaluating the effectiveness of the prevention of hail]. Saint Petersburg, 2006, 279 p.
3. Abshaev M.T., Malkarova A.M. O tendentsii izmene-niya klimata na Severnom Kavkaze [On the trend of climate change in the North Caucasus]. Obozrenieprikladnoi ipromysh-lennoi matematiki, 2005, vol. 12, no 2, pp. 282-283.
4. Abshaev M.T., Gerasimenko I.V., Lozovoi V.I., Malkarova A.M. [On the state of antihail protection in the Stavropol region]. Trudy VGI [Proceedings of WGI]. Nalchik, 2014, vol. 99, pp. 31-40.
5. Abshaev M.T., Abshaev A.M., Malkarova A.M. Organi-zatsiya i provedenie protivogradovoi zashchity [Organization and carrying out antihail protection]. Certificate, no 52.37.7312010. Nalchik, 2010, 84 p.
Поступила в редакцию_2 октября 2015 г.
