Способ определения неблагоприятных и опасных метеорологических явлений конвективного происхождения
METHOD FOR DETECTING ADVERSE AND DANGEROUS METEOROLOGICAL PHENOMENA OF CONVECTIVE ORIGIN

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для автоматического определения неблагоприятных и опасных метеорологических явлений конвективного происхождения (гроза, шквал, осадки высокой интенсивности, град), источником которых является кучево-дождевая облачность.
Укрепляющийся рост экономического ущерба и человеческих жертв, вызванных стихийными бедствиями, связан с увеличением количества катастроф. Предлагаемый способ позволит производить предупреждение начала возникновения и фиксировать момент окончания опасного явления, например, вблизи летной полосы аэродрома. Такая информация крайне полезна для обеспечения безопасности полетов и организации эффективной работы как крупных аэропортов, так и мелких аэродромов, находящихся на существенном удалении от ближайшей точки сети гидрометеорологических станций.
На основании данных измерений метеорологических станций сети Росгидромета объекты макромасштаба или синоптического масштаба (циклоны, антициклоны) и альфа-мезомасштаба (атмосферные фронты, гребни, ложбины) выявляются с высокой достоверностью, в то время как объекты и явления бета- и гама-мезомасштабного уровня (размером 2-200 км), обусловленные отдельными кучево-дождевыми облаками и их кластерами, остаются неопределенными для существенных территорий (Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели) / под ред. Ю.С. Седунова др. Л: Гидрометеоиздат. 1991. 510 с.). Это связано с тем, что отдельные кучево-дождевые облака имеют характерный размер порядка 10 км, а время их жизни, как правило, не превышает одного часа. Именно с такими облаками связаны ливневые осадки, шквалы, грозы и т.д. Кроме того, структура фронтальных облачных систем часто осложнена наличием мезонеоднородностей, обуславливаемых наличием «затопленных» ячеек кучево-дождевых облаков, которые невозможно обнаружить визуальным методом. Наличие таких конвективных ячеек в полях слоистообразной облачности также вызывает резкое, непрогнозируемое усиление интенсивности осадков и скорости ветра над данной местностью.
Известен способ обнаружения кучево-дождевой облачности (Руководство по краткосрочным прогнозам погоды, ч. I. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с. 451-452), основанный на применении методов радиолокационного зондирования атмосферы с помощью метеорологических радиолокаторов (МРЛ) и их современных разновидностей - доплеровских метеорологических радиолокаторов (ДМРЛ). Радиолокационные методы позволяют получить информацию о конвективной облачности и предупредить о появлении конвективного явления с заблаговременностью 1-3 часа, а несколько МРЛ/ДМРЛ, обзор которых перекрывает друг друга, дают возможность прогнозировать такие явления на срок до 12 ч.
Недостатком радиолокационного способа является то, что радиолокационные измерения часто не обеспечивают необходимую достоверность выделения различных форм облачности и видов атмосферных явлений. Это происходит из-за ряда существенных ограничений способа: ослабление радиоизлучения в осадках, блокировка радиоизлучения естественными (рельеф, растительность) и искусственными (здания и сооружения) препятствиями в отдельных секторах. Посты метеорологических радиолокаторов, и тем более их сети, создаются исключительно в районах с высокой плотностью населения и вблизи объектов особой важности (крупных аэропортов, космодромов), а остальные районы, как правило, остаются неохваченными. Все это и определяет трудности в регистрации, изучении и в прогнозировании опасных явлений погоды. Кроме того, нельзя не отметить, что существенным препятствием применения радиолокационного способа является высокая стоимость оборудования МРЛ/ДМРЛ, его установки и эксплуатации.
Известны способы определения типа облачности на основании спутникового зондирования атмосферы (Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды / под ред. И.П. Ветлова и Н.Ф. Вельтищева. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 63 с.; Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Часть 1 / Под ред. С.Л. Белоусова и др. -Л: Гидрометеоиздат, 1986. 703 с.), с помощью космических летальных аппаратов, оснащенных сканерами, спектрометрами, телевизионным и радиолокационным оборудованием, лазерными системами. Обработка измерений позволяет получать цифровую информацию о процессах синоптического масштаба и об отдельных явлениях мезомасштаба. Группировки полярно-орбитальных и геостационарных космических летальных аппаратов обеспечивают данные измерений с обширных территорий Земли. Например, на основании обработки данных измерений спутниковых спектрорадиометров можно проводить мониторинг опасных явлений, в том числе и конвективного происхождения (RU 2385474 C1; RU 2467361 С2). Применяемые модели позволяют осуществлять сверхкраткосрочное прогнозирование (до 12 часов) изменения метеорологических параметров.
Недостатками данного способа является то, что данные измерений геостационарных спутников позволяют получать метеорологическую информацию с периодичностью 30 мин, но их разрешающая способность недостаточна для детального анализа гамма-мезомаштабных явлений (одиночные конвективные облака и очаги затопленной конвекции с характерным размером 2-20 км (Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели) / под ред. Ю.С. Седунова др. Л: Гидрометеоиздат. 1991. 510 с.). С данными измерений полярно-орбитальных спутников ситуация обратная: они хотя и обеспечивают достаточную разрешающую способность, но вследствие движения по орбите, получают метеорологическую информацию над конкретной территорией с большим временным интервалом (один спутник - два раза в сутки). Кроме того, требуется некоторое дополнительное время для обработки полученных данных, что исключает оперативность их применения. Следует также отметить, что большинство метеорологических спутников являются собственностью иностранных учреждений и ведомств, а зависимость от доступа к данным их измерений не соответствует заявленному приоритету доктрины информационной безопасности нашей страны.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения состояния погоды (Bennett A.J, Harrison R.G. 2007. Atmospheric electricity in different weather conditions. Weather 62:277-283), основанный на автоматическом обнаружении облаков и атмосферных явлений с применением эффекта искажения приземного электрического поля в точке наблюдения под влиянием объемных зарядов облаков, выпадающих осадков, капель тумана. Данный способ позволяет с некоторой точностью определять наличие тумана, обложного дождя, снегопада, конвективной облачности без осадков и сильного ливневого дождя/грозы на основании измеренных значений и дисперсии градиента потенциала электрического поля приземной атмосферы.
Недостатком указанного способа является то, что интервалы значений градиента потенциала электрического поля, полученные для различных атмосферных явлений, являются приближенными и пересекаются между собой в различных диапазонах. Эта причина не позволяет установить граничные значения градиента потенциала электрического поля для конкретных форм облачности и атмосферных явлений, в частности для кучево-дождевых облаков. Кроме того, в указанном способе имеется неопределенность в выборе дискретности измерений или шага осреднения измеренных значений градиента потенциала электрического поля, существенно влияющей на его величину при прохождении кучево-дождевых облаков и связанных с ними явлений (грозы, осадков). Данные недостатки не позволяют достоверно и оперативно оценить вероятность возникновения опасного явления конвективного происхождения.
Задача, на которую направлено заявленное изобретение, заключается в определении неблагоприятных и опасных метеорологических явлений конвективного происхождения гама-мезомасштабного уровня вблизи точки наблюдения в приземном слое атмосферы.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и оперативности обнаружения приближающихся к точке наблюдения развитых кучево-дождевых облаков - потенциальных источников возникновения опасных метеорологических явлений.
Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном способе, определение наличия неблагоприятных и опасных метеорологических явлений осуществляется путем обнаружения приближающихся к точке наблюдения кучево-дождевых облаков, которые обладают объемными электрическими зарядами и вызывают искажение приземного электрического поля в точке наблюдения. В точке наблюдения измеряют значения градиента потенциала электрического поля приземной атмосферы, а затем анализируют значения градиента потенциала электрического поля приземной атмосферы.
В отличие от известного способа, измеряют значения градиента потенциала электрического поля приземной атмосферы дискретно 1 минута или 1 секунда, но с последующим осреднением до среднеминутных значений и сопоставляют их с соответствующими пороговыми значениями, характерными для кучево-дождевых облаков, а наличие кучево-дождевой облачности в окрестностях точки наблюдения определяют при выполнении одного из условий:
где ∇ϕ - значения градиента потенциала электрического поля приземной атмосферы,
1
2
В В - пороговые значения для отрицательных и положительных значений ∇ϕ соответственно, указывающие на наличие кучево-дождевых облаков на фоне облаков других форм, рассчитываемые как:
0
где В - невозмущенное значение ∇ϕ, в среднем за год равное 150 В/м,
s - эмпирический коэффициент, равный минимальной величине искажения приземного электрического поля, обусловленной влиянием кучево-дождевых облаков, которая бы не отмечалась под влиянием облачности других форм.
Поскольку наибольшее существенное искажение электрического поля приземной атмосферы после кучево-дождевых облаков вызывают слоисто-дождевые облака, то величина s для конкретного физико-географического района может быть приближенно рассчитано как:
Ns
s = 2⋅σ,
Ns
где σ - среднеквадратическое отклонение значений ∇ϕ во время прохождения слоисто-дождевых облаков (Ns).
0
1
2
Предлагаемая формула и используемые в ней параметры В, В, В и s основываются на результатах экспериментальных исследований изменчивости значений ∇ϕ во время различных метеорологических условий. Измерения проводились с помощью электростатического флюксметра «Поле-2» в г. Томске в период 2006-2016 гг. На основе среднеминутных данных были оценены средние значения и средние квадратичные отклонения ∇ϕ во время прохождения кучевых, слоисто-кучевых, слоистых и слоисто-дождевых облаков, а также при отсутствии облачности нижнего яруса. Временные границы случаев с облаками данных форм определялись на основе данных ближайшей метеорологической станции как ±30 минут относительно метеорологического срока, в который отмечались только эти облака. Отдельно была осуществлена оценка изменчивости значений ∇ϕ и наиболее встречающиеся формы его временной динамики во время прохождения кучево-дождевых облаков. Временные границы случаев прохождения кучево-дождевых облаков определялись на основе предлагаемого способа, позволяющего выделить интенсивные изменения ∇ϕ, обусловленные кучево-дождевыми облаками, во время трехчасовых интервалов времени, предшествующих метеорологическим срокам, в которые отмечались эти облака. На фиг. 1 показаны средние значения ∇ϕ и СКО во время различных форм облачности (Cu - кучевые облака, Sc - слоисто-кучевые облака, St - слоистые облака, Ns - слоисто-дождевые облака). Сравнение величины среднего квадратичного отклонения значений ∇ϕ во время прохождения облаков различных форм показало, что величина СКО во время кучево-дождевых облаков существенно (более чем в 4 раза) выше, чем при других формах облачности (фиг. 1). Данную особенность и предлагается использовать для выявления кучево-дождевых облаков на основе значений ∇ϕ, в том числе очагов «затопленной» конвекции, когда кучево-дождевые облака развиваются в полях слоистообразной или волнистообразной облачности и визуально не могут быть определены.
0
1
2
1
2
Как показал статистический анализ среднеминутных значений ∇ϕ, наибольшее после кучево-дождевых облаков искажение ∇ϕ относительно В вызывают слоисто-дождевые облака (фиг. 1). Таким образом, величина s для конкретного физико-географического района определяется как наибольшее (с вероятностью 95%) отклонение значений ∇ϕ относительно невозмущенного значения, отмечаемое при прохождении слоисто-дождевых облаков, а пороговые значения B и В приравниваются к максимальной величине отрицательных и положительных значений ∇ϕ во время облаков данной формы соответственно. Следовательно, превышение величины ∇ϕ относительно пороговых значений B и В указывает на наличие кучево-дождевых облаков на фоне облаков других форм.
Полученные авторами оценки средних значений и СКО ∇ϕ для различных форм облачности (фиг. 1) можно в целом распространить на всю территорию Сибири. На фиг. 2 показана оценка оправдываемости предлагаемого метода при различных s на основе стандартных метеорологической данных гидрометеорологической станции г. Томск, располагающейся примерно в 6 км от пункта измерения ∇ϕ. Отмечена оправдываемость выше 75% при s > 1000 В/м. Описываемый способ может быть применен для любой территории при условии уточнения величины s.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Для обнаружения приближающихся к точке наблюдения кучево-дождевых облаков измеряется напряженность электрического поля приземной атмосферы. Для этого используется датчик напряженности электрического поля - электростатического флюксметра («field mill»), работающий на индукционном динамическом методе измерения напряженности электрического поля, основанном на измерении поверхностной плотности заряда (σ), индуцированного внешним электрическим полем на металлической пластине, и расчете величины напряженности (Е) по уравнению Е = 4πσ. Датчики напряженности электрического поля, основанные на этом методе, позволяют производить продолжительные измерения в автоматическом режиме с необходимой для описываемого способа дискретностью измерений (1 мин). Таким условиям удовлетворяют серийно выпускаемые датчики напряженности электрического поля иностранного (EFM-100, EFM550, CS110) и отечественного производства (EFS-2/50, ЭФ-4).
При реализации способа датчик устанавливают на неподвижную опору с помощью кронштейна на расстоянии от вертикальной оси опоры не менее 0,2 м и расстоянии от подстилающей поверхности не менее 1 м. Для исключения попадания внутрь датчика жидких атмосферных осадков, а также накопления на измерительной пластине и смежных частях корпуса датчика слоя снега или льда, искажающего измеряемую величину, датчик устанавливают таким образом, чтобы открытая часть датчика (измерительная пластина) была параллельна земной поверхности и направлена к подстилающей поверхности. Опора должна быть выполнена из металла, а корпус датчика заземлен. Электропитание осуществляют от центральной сети или автономно от аккумулятора.
Измерения напряженности электрического поля проводят с дискретностью 1 минута или 1 секунда, но с последующим осреднением до среднеминутных значений. Получаемые значения напряженности электрического поля атмосферы (Е) преобразуются в значения градиента потенциала электрического поля (∇ϕ) в соответствие с уравнением Е = -∇ϕ.
1
2
Получаемые значения ∇ϕ сравниваются с пороговыми значениями В и В. В случае если значение ∇ϕ превышает по абсолютной величине одно из пороговых значений, в зависимости от знака ∇ϕ, идентифицируется наличие кучево-дождевых облаков в окрестностях точки наблюдения.