Физико-статистические характеристики пространственного распределения грозовой активности

С вопросами молииезащиты и пространственного распределения молниевых разрядов приходится сталкиваться специалистам многих отраслей, таких как энергетика, связь, строительство, авиация, космическая промышленность, сельское и лесное хозяйство. Возрастает количество высотных зданий и площадь застройкив промышленности применяются горючие и взрывоопасные веществав электронике и связи чаще применяются чувствительные электронные приборы, которые чутко реагируют на возмущения, вызванные грозовыми разрядами. Результатом повреждений могут быть нарушения нормального функционирования производства, и в отдельных случаях поражения молнией приводят к трагическим последствиям.

В России основными источниками информации о грозоопасности территории являются визуально-слуховые наблюдения на метеорологических станциях и эпизодические инструментальные наблюдения. Вопросами грозового электричества и пространственного распределения характеристик грозовой активности в нашей стране занимаются в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова, в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского, в Высокогорном геофизическом институте на Кавказе и во многих других исследовательских центрах. Работы по исследованию характеристик грозовой активности и молииезащиты электрических сетей в лаборатории молииезащиты НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете ведутся с 1969 года. Данная диссертационная работа является продолжением и развитием этих исследований. Для немногих регионов пашей страны построены карты удельной поражаемостп молниями и изучены региональные среднестатистические параметры молнии.

Существует необходимость изучать пространственное распределение грозовой активности для территорий, обладающих плотной сегыо традиционных наблюдений за грозами и современными инструментальными наблюдениями (наземными и спутниковыми) с тем, чтобы применит!" полученные результаты в регионах с редкой сетью.

В литературе широко обсуждаются вопросы о причинах пространственной неоднородности фозовой активности, таких как высота места над уровнем моря, температура воздуха и характеристики влажное! и. Дополнительными факторами, влияющими на неоднородность грозовой активности, являются аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли, влияние городов и повышенного уровня радиоактивности. Возрастает необходимость в исследовании пространственного распределения грозовой активности, что особенно актуально для интенсивно осваиваемой территории Западной Сибири. Исследование региональной грозовой активности имеет как познавательное, так и большое практическое значение. Охрана лесов от пожаров и обеспечение надежной молниезащиты энергетических объектов, в том числе атомных реакторов — наиболее перспективные сферы приложения результатов исследования пространственного распределения грозовой активности. Решению этих вопросов и посвящена данная работа.

Целью работы является изучение физико-статистических параметров молнии и особенностей распределения плотности разрядов молнии в землю (¿-г) на основе наземных и спутниковых инструментальных наблюдений за грозами для разработки рекомендаций лесоохранным службам от пожаров.

Задачи исследования Разработка метода определения плотности разрядов молнии в землю на основе спутниковых наблюдений.

Выявление факторов, приводящих к неоднородности пространственного распределения грозовой активности.

Определение роли молний, как основного природного источника пожаров.

Исходный материал и методика.

Для исследований выбрана территория Томской области и южная Германия. Для Томской области анализировались визуальные наблюдения на 23 метеорологических станциях с 1951 по 1995 гг. Территория Германии выбрана в качестве полигона исследования, для которого были доступны качественные данные многолетних визуальных (1951;2002 гг.) и инструментальных наблюдений (1992;2002 гг.). Для обеих территорий за период 1995;1999 гг. использованы данные наблюдения за грозовыми разрядами со спутника «Microlab-l». Методом исследования является корреляционно-статистический анализ многолетних данных наблюдений за грозами. Обработка данных наблюдений производилась на ГНС с помощью пакетов прикладных программ (Statistica, Statgraphics plus for Windows, Blitzstatistika, Exsel), использующих стандартные методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

2. Установлено статистически значимое влияние городов на увеличение плотности разрядов молнии в землю по сравнению с фоновыми значениями.

3. Установлено статистически значимое влияние повышенной радиоактивности над атомными реакторами южной Германии на плотность разрядов молнии в землю.

4. Определена роль молний в возникновении и распространении крупных лесных пожаров.

Положения, выносимые на защиту.

1. Среднестатистические характеристики молний, используемые в молниезащите.

2. Закономерности влияния промышленных городов на пространственное распределение грозовой активности.

3. Закономерности влияния повышенного уровня радиоактивности на грозовую активность.

4. Метод оценки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным.

Практическая ценность.

Построенная карта разрядов молнии в землю для Томской области может представлять практический интерес при проектировании линий электропередачи и планировании лесоохранных мероприятий.

Полученные эмпирические уравнения о связи различных характеристик гроз, а также значения среднестатистических параметров молний представляют практический интерес и могут быть использованы для молниезащитных мероприятий.

Разработанные рекомендации по наиболее вероятным очагам возгорания от молний и наиболее пожароопасным годам для Томской области, используются авиационной базой охраны лесов.

Апробация работы.

Содержание работы и ее основные положения доклады нал и сь на Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству (г. Владимир, 21−26.09.2003), 12 International Conference on Atmospheric Electricity — ICAE 2003 (France, Versailles, 9−13.06.2003), VI Русско-корейском международном симпозиуме науки и технологий — KORUS-2002 (г. Новосибирск, 24−30.06.2002), Четвертом и пятом сибирском совещаниях по климато-экологическому мониторингу (г.Томск, 20.04.2001, 25−27.06.2003), I и II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 5−8.09.2001, 27−31.10.2003), VII — IX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии'» (Томск, 26.02−2.03. 2001, 8−12.04.2002 и 7−9.04.2003), V — VII Международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 9−13.04.2001, 1−5.04.2002, 1418.04.2003), Региональной научной молодежной конференции «Географические проблемы Западной Сибири» (Томск, 21−23.12.2000), IV Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы» (Томск, 2429.04.2000), VII — IX Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 5−7.12.2001, 13.12.2002, 3−5.12.2003), Научно-практической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения М.В. 'Громова «Проблемы гляциогидроклиматологии Сибири и сопредельных территорий» (1819.11.2002), на семинарах НИИ высоких напряжений при ТПУ.

По теме диссертации опубликовано 27 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Работа состоит из 4 глав.

В первой главе приводится описание основных источников информации о грозовой активности. Произведен обзор литературы о причинах пространственной неоднородности грозовой активности, таких как синоптическое состояние атмосферы, орография, темиературно-влажностные неоднородности, геофизические неоднородности земной поверхности (аномалии силы тяжести и поток тепла из недр земли). 15 качестве дополнительных причин неоднородности приводятся повышенная радиоактивность (после аварии на Чернобыльской АЭС) и влияние городов.

Во второй главе описывается разработанный метод опенки плотности разрядов молнии в землю по спутниковым данным. Метод построен на сравнении результатов регистрации молний по наземной и спутниковой системам в южной Германии. В дальнейшем полученные уравнения для равниншлх участков Германии применяются для схожего ландшафта Томской области. Оцениваются максимально возможные значения плогносш разрядов молнии в землю, для этого вводятся поправки на годовой и суточный ход грозовой активности. Разработан алгоритм выделения районов «сильной» корреляции с использованием статистических характеристик данных. В основу проверки «сильной» корреляции внутри однородных районов положен метод коллективного принятия решения. Уточнены эмпирические коэффициенты в уравнениях пересчета плотности разрядов молнии по данным о числе дней с грозой для плоскогорий, склонов и холмов.

В третьей главе анализируется антропогенное влияние на ¡-розовую активность, включая роль городов и влияние уровня радиоактивности (гамма фона, альфаи бета-активности) на грозовую активность. Анализируется влияние штатной работы атомных реакторов на плотность разрядов молнии в землю.

В четвертой главе рассмотрена роль молнии на характеристики лесных пожаров. Разрабатываются рекомендации лесоохранным службам Томской области относительно наиболее опасных очагов возгорания от молний. Строится прогноз о ближайших возможных годах с повышенной пожароопасностыо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе исследований, изложенных в данной работе, автором исследованы физико-статистические параметры молний и особенности пространственного распределения грозовой активности на основе данных наземной и спутниковой систем местоопределения молний.

Работа проводилась в соответствии с техническим заданием госбюджетной работы «Исследование взаимосвязи грозовой деятельности и состояния природной среды», а также при поддержке гранта фонда ЕЫВ¥технического университета во время стажировки в Институте метеоролог ии и климатологии Исследовательского центра г. Карлсруэ (Германия).

Полученные результаты применены в разработке рекомендаций для лесоохранных служб от пожаров.