CC BY
58
УДК 551.594
ВЛИЯНИЕ ОРОГРАФИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ © 2008 г. А.Х. Аджиев, А.А. Аджиева, Х.А. Тумгоева
In work the analysis of change of storm activity in time and in space in all territory of Northern Caucasus is executed. A complex relief of territory of Northern Caucasus in a combination to a geographical position and features of circulating processes prevailing here have caused as a whole on territory high enough storm activity - till 70 days with a thunder-storm in east part and till 30 days with a thunderstorm in the western part. The analysis of storm activity according to the meteorological stations located at various heights, has allowed to reveal existence of significant correlation between height of district and storm activity. The increase with height среднемноголетнего and the greatest for one year of number of days with a thunder-storm is traced. With height currents of a lightning decrease, average value of amplitude of a current in a steppe zone makes about 23 кА, and in a mountain part - 14 кА.
С повышением требований грозозащиты [1] различных народнохозяйственных объектов возрастает интерес к исследованиям региональных особенностей характеристик грозовой деятельности и параметров молниевых разрядов. К таким исследованиям можно отнести работы [2-5], в которых изучались региональные особенности грозоразрядных процессов.
Для правильного и экономичного проведения молниезащитных мероприятий весьма полезным являются сведения о повторяемости гроз на трассах прохождения воздушных линий (ВЛ) над различными территориями, особенно для горных местностей со сложной орографией.
Сложный рельеф территории Северного Кавказа в сочетании с географическим положением и особенностями господствующих здесь циркуляционных процессов обусловили по территории достаточно высокую грозовую активность.
Фоновые значения грозовой активности определяются в первую очередь макросиноптическими про-
цессами, характерными для Северного Кавказа в грозовой период. Огромное влияние на неоднородность грозовой активности оказывают особенности подстилающей поверхности. Многолетние наблюдения показывают, что над некоторыми пунктами грозы наблюдаются значительно чаще, чем над другими. Даже на расстояниях в десятки километров среднее число дней с грозой и продолжительность гроз из-за неоднородности подстилающей поверхности, меняющейся по высоте от уровня моря до нескольких километров, а по ландшафту от песчаников до хвойных лесов могут различаться в 1,2 - 2 раза.
Целью данной работы является исследование гро-зоразрядной деятельности на Северном Кавказе. По данному региону наиболее детально грозоразрядная деятельность исследована только для территории Кабардино-Балкарии [6, 7].
В данной работе выполнен анализ изменения грозовой активности во времени и в пространстве на всей территории Северного Кавказа. Площадь рассматри-
ваемой территории составляет около 400 000 км . Для исследования временных и пространственных изменений грозовой активности использовались данные 82 метеостанций, расположенных на территории Северного Кавказа, а также данные инструментальных наблюдений за молниями с использованием активно-пассивных радиотехнических средств Высокогорного геофизического института [8-11].
Анализ многолетних данных грозовой активности мощных кучево-дождевых облаков на данной территории показал, что при среднегодовом числе дней с грозой на одной метеостанции, равном 36 (со стандартным отклонением 4 и максимальным значением 49) в 75 % случаев грозы развивались при вторжении холодных фронтов с северо-запада, запада и юго-запада, а в 25 % случаев наблюдались грозы внутри-массового развития.
Большая часть метеостанций была открыта в 40-х гг., а в Кисловодске, Махачкале и др. - с 30-х гг. прошлого столетия. Метеостанции в исследованном регионе расположены на различных высотах от нескольких метров (Махачкала) до 1000^3000 м н.у.м. (Хабаз, Кисловодск, Терскол и др.). Такое расположение метеостанций позволило выявить зависимость грозовых явлений от высоты и аэрографии. В работе использовались в основном ряды наблюдений за 60 и более лет. Анализировались ежегодные данные наблюдений за грозовой активностью - число дней с грозой (Щ и суммарная продолжительность гроз (Т) за грозовой сезон (год). Осуществлялся сбор данных N и Т по всем метеостанциям, статистическая обработка и анализ данных производились вариационными методами [12, 13].
Анализ включал следующие этапы:
- определение числовых характеристик выборки;
- выделение тренда;
- спектральный анализ центрированного временного ряда;
- разложение ряда на основные составляющие.
Горные районы оказывают существенное влияние
на грозовую деятельность. Наиболее интенсивная грозовая деятельность наблюдается над Кавказским хребтом. Максимальная повторяемость гроз наблюдается в горах, особенно в восточной части Кавказского хребта, где количество гроз доходит до 70 дней в течение года. В горных районах происходит усиление вертикального обмена воздуха. Особенно это хорошо прослеживается на горных хребтах, обращенных в сторону влагонесущих потоков, направленных со стороны моря, - это районы Сочи и Адлера.
Анализ грозовой активности по данным метеостанций, расположенных на различных высотах, позволил выявить существование значимой корреляции между высотой местности и грозовой активностью. Для более подробного анализа динамики этого параметра рассмотрим характеристики грозовой активности по наблюдениям на двух метеостанциях: Кисловодск и Минеральные Воды, находящихся на расстоянии около 50 км друг от друга, т.е. достаточно близком, чтобы считать развитие метеоусловий идентичными, но расположенных на разных высотах -1000 и 350 м н.у.м. соответственно. Из рис. 1 видно,
что имеет место достаточно выраженная разница в грозовой активности между данными станциями, которая прослеживается за весь период наблюдений с 1943 г. по настоящее время. При этом за весь период наблюдений имеют место следующие особенности в регистрациях указанных метеостанций:
1) грозовая активность над станцией Кисловодск, расположенной на высоте 1000 м, больше, чем над станцией Минеральные Воды, расположенной на высоте 350 м;
2) минимальная разница в грозовой активности над указанными станциями составляет 4 дня. Этот период приходится на 65-70 гг. прошлого столетия. Максимальные расхождения грозовой активности наблюдались: до 10 дней в 40-е и до 12 дней в 75-95 гг. прошлого столетия;
3) с увеличением грозовой активности высотная ее зависимость усиливается;
4) продолжительность гроз за год на указанных станциях разнится в среднем на 15 ч (в Кисловодске 111 ч, а в Минеральных Водах - 96);
5) наибольшая продолжительность гроз, ч, в течение года наблюдается на станциях, расположенных выше.
Отмеченные особенности имеют место и на других метеостанциях (Адлер, Сочи и др.).
60
N
l927 i932 l937 1942 l947 i952 l957 l962 l967 l972 l977 l982 l987 l992 l997 2®оД0'
Кисловодск
Минеральные Воды
Рис. 1. Грозовая активность (Щ - число дней с грозой в год) на метеорологических станциях Кисловодск и Минеральные Воды, осредненная по 5-летним циклам наблюдений
В таблице приводится среднемноголетнее и наибольшее число дней с грозой по месяцам и за год на побережье Черного моря в районе г. Сочи за период наблюдений с 1936 г. по настоящее время. Средняя годовая продолжительность гроз (Т) на рассматриваемой территории составляет более 100 ч. В месяц максимальной повторяемости (август) в среднем отмечено около 30 ч с грозой на побережье.
На рис. 2 приводится график зависимости средне-многолетнего и наибольшего числа дней с грозой (Щ за год на Черноморском побережье Кавказа (район Сочи) в зависимости от высоты расположения метеостанции (Н). Как видно из рисунка, четко прослеживается увеличение с высотой среднемноголетнего и наибольшего за год числа дней с грозой. При этом средняя продолжительность гроз в течение года Т на побережье составляет 105-117 ч, на горных склонах -150-172 ч.
50
40
30
20
10
0
Среднемноголетнее и наибольшее число дней с грозой по месяцам и за год на территории Черноморского побережья
ГМС Н,м Среднее и наибольшее число дней с грозой
Месяц За год
I П III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Адлер 13 1 1 0,4 0,7 2 5 7 7 5 4 2 1 36
7 4 2 3 5 11 11 13 11 11 6 6 54
Сочи (опытная станция) 31 1 1 0,6 0,6 2 5 7 8 5 4 2 2 38
5 5 3 3 6 10 12 15 11 12 7 6 63
Сочи 57 1 0,5 0,4 0,4 2 5 7 8 6 4 0,9 2 37
Туапсе 79 0,9 2 0,5 0,8 3 6 7 8 5 3 2 1 39
4 4 5 5 7 13 15 16 13 9 7 5 61
Калиновое озеро 460 2 1 0,8 1 4 9 10 9 7 5 3 2 54
9 6 3 3 8 17 16 15 15 14 6 5 74
Красная поляна 566 0,6 0,8 0,7 2 5 10 11 10 6 4 2 0,8 53
6 4 4 5 10 20 24 17 12 7 5 4 76
Гузерипль 668 0,2 0,4 0,4 2 7 12 11 9 5 2 0,9 0,4 50
1 2 2 5 15 20 18 16 15 6 3 2 71
Ачишхо 1880 0,7 0,4 0,5 2 6 11 12 10 6 3 1 0,9 54
5 3 5 4 11 21 26 18 16 7 5 5 91
С большой точностью зависимость числа дней с грозой от высоты местности для рассматриваемого района России можно представить в виде
М = а1 + вуН ; (1)
М2 = а2 + в2Н, (2)
где М1 - среднегодовое число дней с грозой за год; N - среднемноголетнее наибольшее число дней с грозой; а1, а2, в1, в2 - численные коэффициенты (а! = 40 дн., в! =7-10-3 дн.- м-1; а2 = 60 дн., в2 = 15-10"3 дн.- м-1).
Рис. 2. Зависимость среднемноголетнего числа дней (М) с грозой за год от высоты (Н) расположения метеостанций. •- Адлер; □ - Сочи; ■ - Туапсе; А - Калиновое озеро; ▲ - Красная поляна; о - Гузерипль; ж - Ачишхо
Между значениями Ми Н имеет место высокая корреляция - между М1 и Н коэффициент корреляции около 0,8; между М2 и Н - около 0,7. Кроме этого, с
высокой точностью получено соотношение между продолжительностью гроз Т в часах и среднегодовым числом дней с грозой в виде
Т= 1,5-N1'2. (3)
Продолжительность гроз можно связать с высотой, используя выражения (1) и (3):
Т = 1,5-(40 + 7-10"3 Я)1'2 , (4)
где Т - среднегодовая продолжительность гроз, ч.
Для определения высотной зависимости значений тока молнии нами были использованы результаты многолетних инструментальных наблюдений радиотехническими средствами [8-11].
В указанных работах величина тока молнии рассчитывалась по результатам регистрации у поверхности земли с помощью калиброванной антенны вертикальной составляющей напряженности электрического поля Ez главноканальной стадии разряда молнии. Применяя модель обратного удара, наиболее полно отражающую физические процессы в канале, определялись основные параметры тока молнии. В [14] для предложенной модели главного разряда в виде линии без затухания, по которой с постоянной скоростью и распространяется волна тока i, показано, что радиационная составляющая Е2 повторяет импульс тока в канале. При D>>H в случае t < H/v + D/C получим:
i(t) = -
2яе0 c 2DEz (D, t + D / c)
(5)
где t - время; Б - расстояние от наблюдателя до молнии; Н - высота канала молнии; с - скорость света; е0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
Расчеты, выполненные в [14], показали, что фронт импульса Ег соответствует фронту импульса тока для расстояний, превышающих 1 км. При этом было принято, что высота канала Н равна 4,8 км, скорость распространения волны тока и постоянна по всей длине канала и равна 8-107 м/с. Отсюда следует, что определение тока молнии по формуле (5) справедливо в течение фронта импульса Е2.
Регистрация вертикальной составляющей напряженности электрического поля у поверхности земли производилась путем осциллографирования напряжения между землей и «открытой» изолированной антенной, нагруженной на измерительную схему. В качестве антенны применялся круглый металлический диск диаметром 50 см, установленный на высоте 0,5 м над заземленной проводящей плоскостью параллельно поверхности земли, т.е. вдоль эквипотенциальной линии. Относительная погрешность измерения, в основном определяемая утечками через входное сопротивление Я регистрирующей аппаратуры, равна
Д,= , (6)
p
RC
где tp - время регистрации; С - полная емкость измерительной системы.
Нами результаты измерения тока молнии над местностью были разделены на две группы:
- с высотой от 2000 до 5500 м н.у.м.;
- от уровня моря до 2000 м н.у.м.
V
Соответствующее распределение тока молнии приведено на рис. 3. Из рисунка видно, что для распределения тока молнии горной территории значение тока молнии меньше, чем над равниной. Сделанное нами разделение на токи горной и равнинной части позволяет выявить, что важным фактором на получаемые распределения характеристик распределения ^ являются орография и высота местности. С увеличением высоты местности над уровнем моря значение ^ уменьшается.
-1----2
Рис. 3. Распределение тока молнии в горной части (1) и равнинной части (2) Северного Кавказа
Это связано с тем, что грозоразрядная деятельность, как правило, связана с развитием конвекции и образованием кучево-дождевых облаков. Между облаком и подстилающей поверхностью происходит интенсивный влагообмен. По-видимому, на эти процессы рельеф оказывает ускоряющее действие.
Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик
При этом наибольшие токи регистрируются в степной зоне. Среднее значение амплитуды тока в степной зоне составляет около 23 кА, а в горной части - 14 кА. Таким образом, с высотой токи молнии уменьшаются. Подобную особенность необходимо учитывать для разработки рекомендаций по грозозащите конкретных высоковольтных линий, зданий в указанных районах.
Литература
1. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. Л., 1978.
2. Аджиев А.Х. и др // Тр. V Рос. конф. по атмосферному электричеству. 21-26 сент. Владимир, 2003. Т. 1. С. 256-260.
3. Филипов А.Х. Грозы Восточной Сибири. Л., 1974.
4. Anderson R.B. // IEE proceedings. 1984. Vol. 131. Pt. A. № 2. P. 118-124.
5. Suda T. et al. // Proceedings of the 25th International conference on lightning protection. Rhodes, Greece, 2000. Vol. A. P. 206-211.
6. АджиевА.Х. и др. // Тр. ВГИ. 2002. Вып. 92. С. 96-102.
7. Adzhiev A.Kh., Kumykov Kh.K. // Lightning and mountains: Proc. Intern. Conf. France, 1997. Р. 78.
8. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М., Акчурин М.М. // Тр. ВГИ. Вып. 63. С. 95-101.
9. Аджиев АХ., Богаченко Е.М. // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1988. № 8. С. 973-979.
10. Аджиев А.Х. // Электричество. 1986. № 11. С. 60-62.
11. Аджиев А.Х. // Теоретические и электрофизические проблемы молнии и молниезащиты: Тр. расширенного засед. IV секции Научного совета АН СССР. Баку, 1984. С. 94-101.
12. Методы климатической обработки метеорологических наблюдений / Под ред. О.А. Дроздова. Л., 1957.
13. Просветов Г.И. Эконометрика. Задачи и решения: Учеб.-метод. пособие. М., 2005.
14. Юман М. Молния. М., 1972.
11 июля 2007 г.
