CC BY
2
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
НАУКИ О ЗЕМЛЕ SCIENCES OF EARTH
Научная статья УДК 551.554
аок 10.18522/1026-2237-2023-4-61-69
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ СЕВЕРНАЯ ОСЕТИЯ - АЛАНИЯ
Аида Анатольевна Аджиеваш, Геннадий Владимирович Куповых2, Залина Музариновна Керефова3
1 Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет, Нальчик,
Кабардино-Балкарская Республика, Россия
2Южный федеральный университет, Таганрог, Россия
3Высокогорный геофизический институт, Нальчик, Кабардино-Балкарская Республика, Россия
1aida-adzhieva@mail.ruв
2kupovykh@sfedu. гы
3zknyaz-kbsu@mail.ru
Аннотация. Приводятся результаты исследования грозовой активности на территории Республики Северная Осетия - Алания, и в частности в районе всесезонного туристического комплекса «Мамисон». Выполнен анализ среднегодовых факторов грозовой и молниевой активности в период с 2012 по 2022 г. в теплый период времени (май - сентябрь) по данным грозопеленгационной системы LS8000. Сделана оценка соотношений количества молний облако - земля положительной и отрицательной полярности, исследовано влияние орографии местности на величину токов молний, определены территориальные особенности распределения токов молний облако - земля различной полярности. Полученное выражение линейного тренда для числа гроз показывает снижение грозовой активности за последние годы на исследуемой территории.
Ключевые слова: грозовая активность, грозопеленгация, молниевый разряд, атмосферное электричество, молниезащита
Для цитирования: Аджиева А.А., Куповых Г.В., Керефова З.М. Результаты анализа грозовой деятельности на территории Республики Северная Осетия - Алания // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2023. № 4. С. 61-69.
Благодарности: работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (соглашение № 2317-20001).
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
© Аджиева А.А., КуповыхГ.В., Керефова З.М., 2023
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Original article
RESULTS OF THE ANALYSIS OF THUNDERSTORM ACTIVITY ON THE TERRITORY OF THE REPUBLIC OF NORTH OSSE TIA-ALANIA
Aida A. Adzhievaш, Gennady V. Kupovykh2, Zalina M. Kerefova3
'Kabardino-Balkarian State Agrarian University, Nalchik, Kabardino-Balkarian Republic, Russia 2Southern Federal University, Taganrog, Russia
3High Mountain Geophysical Institute, Nalchik, Kabardino-Balkarian Republic, Russia
'aida-adzhieva@mail.ruB
2kupovykh@sfedu.ru
3zknyaz-kbsu@mail.ru
Abstract. The paper presents the results of thunderstorm activity study on the territory of the Republic of North Ossetia-Alania, and in particular, in the area of the all-season tourist complex "Mamison ". The analysis of the average annual factors of thunderstorm and lightning activity in the period from 20'2 to 2022 in the warm period of time (May-September) according to the LS8000 thunderstorm direction finding system was performed. The estimation of the number of cloud-earth lightning ratios ofpositive and negative polarity is made, the influence of the orography of the terrain on the magnitude of lightning currents is investigated, the territorial features of the distribution of cloud-earth lightning currents of different polarity are determined. The resulting expression of the linear trend for the number of thunderstorms shows a decrease in thunderstorm activity in recent years in the study area.
Keywords: thunderstorm activity, lightning direction finding, lightning discharge, atmospheric electricity, lightning protection
For citation: Adzhieva A.A., Kupovykh G.V., Kerefova Z.M. Results of the Analysis of Thunderstorm Activity on the Territory of the Republic of North Ossetia-Alania. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2023;(4):61-69. (In Russ.).
Acknowledgments: the work was supported by a grant from the Russian Science Foundation (Agreement No. 23-17-2000').
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0).
Введение
Грозы относятся к опасным метеорологическим явлениям. Они наносят значительный ущерб многим отраслям экономики, авиации, сельскому хозяйству, энергетике и т.д. Также грозы являются причиной 7-8 % всех весенне-летних пожаров. Поэтому важно знать характеристики гро-зоразрядной активности в зависимости от орографии местности и плотности их распределения.
В настоящее время в России имеет место интенсивное освоение высокогорных территорий под горнолыжные и туристические рекреационные комплексы. В частности, на Северном Кавказе создаются всесезонные туристические комплексы (ВТРК) «Эльбрус» в Кабардино-Балкарии, «Мамисон» в Северной Осетии - Алании (СОА), «Ведучи» в Чеченской Республике и др.
Создаваемые в высокогорных зонах Большого Кавказа рекреационные зоны включают такие объекты, как высоковольтные линии электропередачи, высотные мачты (опоры) канатных дорог, подвесные тросы канатных дорог, которые сильно подвержены воздействию молниевых разрядов и грозовым перенапряжениям. В этой связи для создаваемых ВТРК важно знать не только региональные характеристики гроз (число дней с грозой и продолжительность гроз в час в течение года), но и локальные характеристики грозовой активности, параметры разрядов молний.
В данной работе рассмотрено распределение гроз и параметров молнии по территории СОА, включая территорию создания ВТРК «Мамисон». Республика расположена на северном склоне Большого Кавказа. Высшая точка республики - гора Казбек 5033 м. В горной части республики, севернее Главного хребта, параллельно проходят четыре больших хребта: Боковой, Скалистый, Пастбищный и Лесистый.
ISSN 1026-2237 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ._2023. № 4
ISSN 1026-2237 BULLETINOFHIGHEREDUCATIONALINSTITUTIONS. NORTHCAUCASUSREGION. NATURALSCIENCE. 2023. No. 4
Целью работы являлось определение среднестатистических значений токов молний облако -земля на территории СОА в теплый период времени (май - сентябрь).
Задачами исследований были:
- оценка соотношения количества молний облако - земля положительной и отрицательной полярности;
- выявление влияния орографии местности на величину токов молний облако - земля различной полярности;
- определение территориальных особенностей распределения токов молний облако - земля различной полярности.
Материалы и методы исследования
Для определения параметров наземных молний в данной работе использовалась грозопелен-гационнная сеть (ГПС) LS8000 фирмы Vaisala. Эта система была впервые в России развернута в 2008 г. на Северном Кавказе сотрудниками ФГБУ «ВГИ». Она состояла из четырех грозопелен-гаторов и центрального пункта приема и обработки информации [1-3]. Грозопеленгаторы LS8000 расположены вблизи населенных пунктов: Кызбурун (КБР), Черкесск (КЧР), Ставрополь и Зеленокумск (Ставропольский край). С 2020 г. ГПС дополнена двумя грозопеленгаторами типа LS7002 той же фирмы, которые установлены вблизи населенных пунктов Туапсе и Кореновск. Такое расположение способствует более высокой эффективности работы системы с охватом всей территории Северного Кавказа и Черноморского побережья России.
Во время работы ГПС регистрирует такие параметры разряда, как дата и время, координаты, полярность, количество задействованных датчиков и др. [4, 5].
Для решения задач, поставленных в работе, были отобраны значения токов молний облако -земля за период наблюдения с 2012 по 2022 г. Всего за указанный период системой грозопелен-гации по территории СОА зарегистрировано 103 818 молний указанного типа. Из них 8061 классифицирована как наземные молнии положительной полярности, а 95 757 - отрицательной полярности. Следовательно, соотношение количества наземных молний различной полярности составляет 1:12. Получены средние значения токов наземных молний: для положительной полярности - 1ср+=31,89 кА, для отрицательной полярности - 1Ср- = -16,54 кА, а среднее значение тока по модулю составило |1ср| = 18,44 кА, где 1ср+ - среднее значение тока положительной полярности; 1ср- - среднее значение тока отрицательной полярности; |1Ср| - среднее значение тока по модулю.
Орографию местности обычно относят к основным факторам, определяющим метеорологический режим в пограничном слое атмосферы. В некоторых работах [6, 7] была исследована зависимость числа и характеристик гроз от высоты местности над уровнем моря и отмечалось, что большие горные массивы оказывают существенное влияние, вызывая динамическую турбулентность и восходящие потоки по склону. В результате создаются импульсы мощных конвективных токов, способствующих усилению грозовых процессов. Таким образом, роль рельефа является одним из основных факторов формирования гроз.
Средняя высота над уровнем моря на территории СОА составляет 1145 м [8]. Комплекс ВТРК «Мамисон» располагается на высоте от 2080 до 3190 м над уровнем моря, где грозовая активность и параметры молний существенно отличаются от средних их значений на территории республики [9].
Результаты и их обсуждение
Исследование грозовой деятельности на территории СОА показало, что за последние 11 лет на рассматриваемой местности наблюдается снижение грозовой активности (числа гроз). Среднее количество дней с грозой в теплый период составляет 12-16 в месяц. Наибольшая продолжительность гроз наблюдается в летние месяцы. На рис. 1 приведено распределение гроз по годам на территории СОА в период с 2012 по 2022 г.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Рис. 1. Распределение числа гроз (по годам) / Fig. 1. Distribution of the number of thunderstorms by year
Исследована динамика грозовой активности по исследуемой территории, линейный тренд и уравнение тренда: у=2,74х+5589,6, где х - год (от 0 до 10); у - количество дней с грозой.
Наблюдается отрицательная корреляция (k= - 0,7).
Полученное выражение линейного тренда для количества дней с грозой показывает снижение грозовой активности за последние три года на территории СОА.
В табл. 1 приведено среднегодовое число дней с грозой по месяцам за период с 2012 по 2022 г.
На рис. 2 представлена гистограмма распределения числа дней с грозой с 2012 по 2022 г. в теплый период на территории СОА. Как видно из рис. 2, наибольшее количество дней с грозой наблюдается в июне - до 24 грозовых дней в году (2019 г.) - и в августе - до 21 грозового дня (2014 г.).
В работе также рассчитывались токи наземных молний с учетом разделения на положительные и отрицательные разряды, а также построено их распределение по рассматриваемой территории.
Рис. 2. Распределение количества дней с грозой в теплый период времени / Fig. 2. Distribution of the number of days with thunderstorms in the warm period
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
На рис. 3 показано распределение числа грозовых разрядов по территории СОА с мая по сентябрь с разделением на положительные и отрицательные разряды. Установлено, что за рассматриваемый период наблюдений наибольшее количество грозовых разрядов было зарегистрировано в июне.
Считается, что термодинамические характеристики атмосферы являются определяющими в формировании облако- и осадкообразования и, как следствие, грозовой активности [6]. Для определения зависимости количества гроз от среднегодовой температуры воздуха были рассмотрены средние значения температур в теплый период для пунктов наблюдений, находящихся на разных высотах над уровнем моря. Среднегодовые данные температуры рассчитаны для станций в г. Владикавказе, г. Моздоке и г. Алагире (табл. 2, рис. 4).
Рис. 3. Распределение числа разрядов с разделением на положительные и отрицательные в теплый период времени / Fig. 3. Distribution of the number of discharges divided into positive and negative in the warm period
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Таблица 1 / Table 1
Число дней с грозой по месяцам / The number of days with a thunderstorms by month
Год Месяц
Май Июнь Июль Август Сентябрь
2012 19 16 16 13 1
2013 17 16 17 14 9
2014 20 14 11 21 12
2015 9 18 13 17 9
2016 14 20 18 19 9
2017 11 15 11 14 10
2018 15 19 14 10 11
2019 13 24 18 10 6
2020 10 19 13 7 0
2021 11 12 14 8 8
2022 3 12 8 10 9
Таблица 2 / Table 2
Средняя температура в теплый период / Average temperature during the warm period
Год Средняя температура с мая по сентябрь Высота над уровнем моря, м
Hmin Hmax Hep
Город Владикавказ
2012 19,24 599 1221 734
2013 18,22
2014 18,98
2015 19,56
2016 18,56
2017 19,14
2018 19,56
2019 18,96
2020 19,56
2021 19,48
2022 19,04
Город Моздок
2012 22,30 114 151 133
2013 21,38
2014 22,56
2015 22,68
2016 21,48
2017 22,16
2018 22,6
2019 22,28
2020 22,74
2021 22,72
2022 22,52
Город Алагир
2012 19,74 545 869 614
2013 18,66
2014 19,32
2015 19,88
2016 18,94
2017 19,52
2018 19,72
2019 19,22
2020 19,62
2021 19,46
2022 18,62
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Рис. 4. Распределение числа грозовых разрядов и средней температуры воздуха в теплое время (по годам) / Fig. 4. Distribution of the number of lightning discharges and average air temperature in warm season (by year)
В рассматриваемый период (2012-2022 гг.) среднегодовое значение ударов молний в землю составило 9438. На рис. 4 приведены данные среднегодового числа грозовых разрядов и средней температуры воздуха в теплое время на территории СОА. Наблюдается спад числа грозовых разрядов за последние три года. Корреляционная связь между среднегодовыми значениями температуры и количеством разрядов не установлена (коэффициент корреляции менее 0,3).
Наземные молнии в большинстве случаев наблюдаются на высоте от 1 до 2 км [10]. Известно, что плотность поражения молниевыми разрядами на 1 км2 возрастает с увеличением высоты до 2 км. На рис. 5 представлена плотность распределения разрядов по территории СОА.
В горной и предгорной частях плотность грозовых разрядов варьирует от 4 до 8 разр/км2, в то время как на равнине (г. Моздок) - от 0,5 до 1 разр/км2. Таким образом, для проектирования молниезащитных мероприятий на территории ВТРК «Мамисон» рекомендуется учитывать удельное поражение земли молниями 8 разр/км2 в год.
Рис. 5. Плотность грозовых разрядов на территории Республики СОА / Fig. 5. Density of lightning discharges on the territory of the North Ossetia-Alania Republic
ISSN 1026-2237 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ._2023. № 4
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Заключение
В работе выполнен анализ среднегодовых факторов грозовой и молниевой активности на территории Республики Северная Осетия - Алания с использованием данных ГПС ФГБУ «ВГИ». На основе большого числа (103 818) данных по наземным разрядам за исследуемый период показано преобладание отрицательных разрядов (95 757) по сравнению с положительными разрядами (8 061). Наибольшее количество дней с грозой имеет место в летние месяцы: июнь - до 24, август - до 21. Полученное выражение линейного тренда для числа гроз показывает снижение грозовой активности за последние годы на исследуемой територии.
Список источников
1. Аджиев А.Х., Тапасханов В.О., Стасенко В.Н. Система грозопеленгации на Северном Кавказе // Метеорология и гидрология. 2013. № 1. С. 5-11.
2. Аджиев А.Х., Керефова З.М., Кузьмин В.А. Распределение средних значений токов молний различной полярности по субъектам юга России // Успехи современного естествознания. 2021. № 5. С. 123-127.
3. Аджиев А.Х., Юрченко Н.В., КуповыхГ.В., Кудринская Т.В. Наблюдения за грозовой активностью и параметрами молниевых разрядов на территории юга европейской части России // Распространение радиоволн : тр. XXVII Всерос. открытой науч. конф. Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2021. C. 828-832.
4. Аджиев А.Х., Куповых Г.В., Гятов Р.А., Керефова З.М. Взаимосвязь числа дней с грозой и продолжительности гроз по данным визуальных и инструментальных наблюдений // Изв. вузов. Сев. -Кавк. регион. Естеств. науки. 2020. № 3. С. 30-36.
5. Аджиев А.Х., Кулиев Д.Д., Аджиева А.А., КуповыхГ.В., ТумгоеваХ.А. Определение параметров молниевых разрядов с использованием грозорегистратора LS8000 // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2018. № 3. C. 55-63.
6. Горбатенко В.П. Влияние географических факторов климата и синоптических процессов на грозовую активность: автореф. дис. ... д-ра геогр. наук. СПб., 2003. 39 с.
7. Двали Е.Р. Исследование продолжительности и частоты гроз в зависимости от высоты места над уровнем моря // Тр. Закавказского НИИ. 1973. Вып. 47 (53). С. 47-59.
8. Аджиев А.Х., КуповыхГ.В., Андриевская В.Ю., Юрченко Н.В., Кудринская Т.В., Редин А.А. Мониторинг характеристик грозовой активности на юге европейской части России // Изв. ЮФУ. Техн. науки. 2017. № 4. С. 212-223.
9. Аджиев А.Х., Князева З.М., Думаева Л.В. Анализ грозовой активности на территории Западного Кавказа по данным инструментальных регистраций и наблюдений на метеостанциях // Изв. Кабардино-Балкарского НЦ РАН. 2013. № 3. С. 31-37.
10.Жарашуев М.В. Методика автоматизированного статистического анализа разрядов облако - земля для территории Северного Кавказа // Метеорология и гидрология. 2022. № 4. С. 111-116.
References
1. Adzhiev A.Kh., Tapaskhanov V.O., Stasenko V.N. Lightning direction finding system in the North Caucasus. Meteorologiya i gidrologiya = Meteorology and Hydrology. 2013;(1):5-11. (In Russ.).
2. Adzhiev A.Kh., Kerefova Z.M., Kuzmin V.A. Distribution of average values of lightning currents of different polarities in the regions of the south of Russia. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya = Advances in Current Natural Sciences. 2021;(5):123-127. (In Russ.).
3. Adzhiev A. Kh., Yurchenko N. V., Kupovykh G. V., Kudrinskaya T. V. Observations of thunderstorm activity and parameters of lightning discharges in the south of the European part of Russia. Propagation of Radio Waves. Proceedings of the XXVII All-Russian Open Scientific Conference. Kaliningrad: Immanuel Kant Baltic Federal University Press; 2021:828-832. (In Russ.).
4. Adzhiev A.Kh., Kupovykh G.V., Gyatov R.A., Kerefova Z.M. The relationship between the number of days with a thunderstorm and the duration of thunderstorms according to visual and instrumental observations. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Sciences. 2020;(3):30-36. (In Russ.).
5. Adzhiev A.Kh., Kuliev D.D., Adzhieva A.A., Kupovykh G.V., Tumgoeva Kh.A. Determination of lightning discharge parameters using lightning detector LS8000. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Sciences. 2018;(3):55-63. (In Russ.).
6. Gorbatenko V.P. Influence of geographical climate factors and synoptic processes on thunderstorm activity. Dissertation Thesis. St. Petersburg, 2003. 39 p. (In Russ.).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
7. Dvali E.R. Study of the duration and frequency of thunderstorms depending on the altitude above sea level. Tr. Zakavkazskogo NII = Proceedings of the Transcaucasian Research Institute. 1973;(47):47-59. (In Russ.).
8. Adzhiev A.Kh., Kupovykh G.V., Andrievskaya V.Yu., Yurchenko N.V., Kudrinskaya T.V., Redin A.A. Monitoring the characteristics of thunderstorm activity in the south of the European part of Russia. Izv. YuFU. Tekhn. nauki = Izvestiya SfedU. Engineering Sciences. 2017;(4):212-223. (In Russ.).
9. Adzhiev A.Kh., Knyazeva Z.M., Dumaeva L.V. Analysis of thunderstorm activity in the Western Caucasus based on instrumental recordings and observations at weather stations. Izv. Kabardino-Balkarskogo NTs RAN = News of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2013;(3):31-37. (In Russ.).
10. Zharashuev M.V. Methodology for automated statistical analysis of cloud-ground discharges for the territory of the North Caucasus. Meteorologiya i gidrologiya = Meteorology and Hydrology. 2022;(4): 111-116. (In Russ.).
Информация об авторах
А.А. Аджиева - доктор физико-математических наук, профессор.
Г.В. Куповых - доктор физико-математических наук, профессор, Инженерно-технологическая академия. З.М. Керефова - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник.
Information about the authors
A.A. Adzhieva - Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor.
G. V. Kupovykh - Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Academy of Engineering and Technology.
Z.M. Kerefova - Candidate of Science (Physics and Mathematics), Researcher.
Статья поступила в редакцию 29.06.2023; одобрена после рецензирования 29.08.2023; принята к публикации 30.10.2023. The article was submitted 29.06.2023; approved after reviewing 29.08.2023; accepted for publication 30.10.2023.
