Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №
| Глава 3 Аналитический отчет о проведении теоретических и экспериментальных исследований 3.1.1 Радиолокационный метод измерения осадков в горных районах |
Смотрите также:
- Отчет о выполнении 2 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
- Отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта №
получение универсального Z – I соотношения для слабых, средних и сильных осадков;
измерение осадков с учетом высоты местности;
измерение смешанных осадков (ливневой дождь с градом);
измерение осадков на длине волны λ = 10 см, на которой ослабления радиоволн в интенсивных ливневых осадках мало.
паводок № 1 в поселке Звездный, 19 августа 2005 г.;
паводок № 2 в русле реки Баксан в районе с. Баксаненок, 21.06.2005 г.;
паводок № 3 в русле реки Малка в районе с. Псыхурей, 21 июня 2005 г.;
паводок № 4 в русле реки Малка в районе станицы Новопавловской, 21 июня 2005 г.
3.1 Эффективность разработанного метода и технология контроля особо опасных стихийных явлений (паводки, грозы, град) в атмосфере^В горных районах Северного Кавказа наиболее частой причиной летних паводков и многих селей являются обильные ливневые осадки с градом. В связи с этим для оповещения о них необходимо разработать радиолокационный метод измерения смешанных осадков (ливень с градом), адаптированный к измерениям в горных районах, где высота местности значительно превышает уровень размещения радара. Радиолокационному измерению осадков посвящено много работ. В большинстве из них основой измерения осадков является использование эмпирических и полуэмпирических корреляционных соотношений между интенсивностью осадков и их отражательной способностью (см. таблица 3):  , (1)где Z – множитель радиолокационной отражаемости осадков; I – интенсивность осадков; A и b – коэффициенты корреляции. Для разных типов осадков получено множество корреляционных связей, отличающихся значениями коэффициентов A и b. Наиболее часто применяемые корреляционные соотношения представлены в таблице 3. Некоторые Z - I соотношения имеют приемлемую точность измерения интенсивности слабых дождей, но завышают количество интенсивных ливней и, наоборот, при достаточно точном измерении интенсивных осадков, получается недооценка слабых дождей. [11,12] Таблица 3 - Корреляционные связи интенсивности осадков с множителем отражаемости Z (мм6/м3).
Радиолокационное измерение осадков обычно осуществляется в приземном слое 1 км слое атмосферы. Однако в горных районах, где высота подстилающей поверхности может быть значительно выше этого слоя, такие измерения осадков становятся не приемлемыми, так как осадки над горами и ущельями не измеряются. Это исключает возможность успешного решения задачи оповещения о паводках в горных районах. Кроме того, применяемые методы не предусматривают измерение смешанных осадков (дождь с градом), при которых чаще всего отмечаются паводки [13]. Для устранения этих недостатков нами предлагается усовершенствованный радиолокационный метод измерения осадков в горных районах, который предусматривает: Для измерения интенсивности осадков во всем диапазоне их интенсивностей получено Z – I соотношение, которое приемлемо для дождей всех типов (ливневых, обложных, моросящих). Для этого построено семейство кривых (см. рисунок 16) для всех Z – I соотношений, приведенных в таблице 3. Усредняя это семейство кривых, построена функция, достаточно удовлетворительно описывающая зависимость I (мм/час) от Z (dBZ) во всем диапазоне интенсивности дождей:  . (2)Из рисунка 16 следует, что разброс значений I(Z) относительно усредняющей кривой в области слабых осадков не превышает 50 %, а в области умеренных и сильных осадков не превышает 20 – 30 %. Для измерения интенсивности градовых осадков получена аналогичная формула:  . (3)В случае смешанных осадков (дождь с градом) доли градовых и дождевых осадков могут варьировать в широких пределах. Вклад градовых осадков увеличивается с увеличением радиолокационной отражаемости. При Z10 < 45 dBZ вероятность градовых осадков ничтожно мала, в области 45 < Z < 65 dBZ вклад градовых осадков увеличивается, а при Z > 65 dBZ основной вклад вносят градовые осадки. Воспользовавшись этим, общую интенсивность смешанных осадков можно рассчитать по алгоритму [14,15]:  . (4)где эмпирический коэффициент k = 0,04Z10 – 1,7.  Рисунок 16 - Семейство кривых Z – I соотношений, приведенных в табл. 3.1 и усредняющий их экспоненциальный тренд (жирная линия).Зависимости (4) более универсальны во всем диапазоне интенсивности осадков, чем Z – I соотношения, приведенные в таблице 3. Количество осадков за весь период осадков (слой осадков) на каждой элементарной площадке площади обзора рассчитывается путем суммирования во времени:  , (5)где Ii – интенсивность осадков в i-ый промежуток времени Δt; N – число радиолокационных циклов обзора пространства. Этот алгоритм измерения осадков реализован в программном обеспечении автоматизированной радиолокационной системы АСУ «Антиград». С целью оценки точности радиолокационных измерений осадков в горных районах, а также оценки надежности предлагаемой системы оповещения в 2003 – 2010 гг. проведены экспериментальные исследования. Радиолокационные измерения осадков проводились на автоматизированном радиолокаторе МРЛ-5 Кызбурунского научно-исследовательского полигона ВГИ. Наземные измерения осадков проводились с помощью плювиографов, размещенных в равнинных и горных районах на различном удалении от радиолокатора (от 12 до 70 км). Для пространственно-временного совмещения данных была осуществлена спутниковая привязка координат радиолокационных и наземных пунктов измерений. Анализ экспериментальных данных показал, что предложенный метод измерения осадков в горных районах дает более точный результат, чем традиционные методы, не учитывающие рельефа местности, а также наличие в ливневых осадках градовой компоненты. Сравнение с данными сети плювиографов показало, что среднеквадратичная погрешность измерения количества осадков составляет около 38 % (см. рисунок 17). Коэффициент корреляция между данными радиолокационных и наземных измерений составляет 0,92. На основе этих результатов разработан и апробирован радиолокационный метод оповещения о паводках и селях ливневого происхождения с заблаговременностью несколько часов. Метод основан на радиолокационном измерении осадков, выпавших в водосборе паводкового и селевого русла, в текущий и предыдущие дни, а также оценке ожидаемого количества осадков из надвигающейся облачности. Создан действующий образец радиолокационной системы оповещения, состоящий из радиолокатора МРЛ-5, автоматизированной системы обработки радиолокационной информации АСУ «Антиград», которая может обеспечить оповещение о паводках и селях ливневого генезиса на обширных территориях (в радиусе около 100 км).  Рисунок 17 - Количество осадков по радиолокационным (QP) и наземным плювиографическим (QПЛ) измерениям. Данные наблюдений показали достаточно высокую надежность диагноза паводковой ситуации по данным радиолокационных наблюдений и, следовательно, возможность заблаговременного оповещения о ливневых паводках, еще на стадии выпадения осадков и начала формирования их стока в паводковые русла. На рисунке 18 представлена карта количества осадков в районе интенсивного паводка (в поселке Звездный, расположенном западнее г. Нальчик). Слой осадков выпавших с 1859 до 2243 19.08.2005 г. в водосборе, охваченного паводком обычно полусухого русла речки Шалушка, превысил 40 мм. Из рисунка 18 следует, что даже без учета осадков в предыдущие дни и ожидаемого количества осадков, можно уверенно говорить о паводковой опасности. Критерием паводковой опасности с большой вероятностью может служить слой выпавших осадков более 30 – 40 мм, хотя это зависит от площади водосбора, крутизны и степени увлажненности склонов. Наличие таких осадков в селевых очагах может стимулировать формирование селей. На рисунке 19 показана интегрированная картина ливневых паводков за 2 дня: По аналогии можно получить интегрированную карту ливневых паводков за сезон. Как видно из рисунков 18 и 19 предлагаемый метод обеспечивает достаточно точную локализацию территорий, охватываемых паводками в радиусе 100 - 120 км от пункта наблюдений. Например, обнаружен серьезный паводок, отмечавшийся 10 июля в районе г. Зеленокумска, расположенного на расстоянии около 100 км от пункта наблюдений, где слой осадков достиг 160 мм, а также более слабые паводки, отмечавшиеся в Ставропольском крае (в городе Мин-Воды 18 июля 2003 г. и в городах Мин-Воды и Георгиевск 19 июля 2003 г.). При этом метод позволяет успешно обнаружить не только разрушительные паводки, но и относительно не опасные (например, каждый предсказанный по радиолокационным данным случай небольших паводков в г. Нальчик, приводящий к обильному стоку ливневой воды по улицам города и переполнявший ливневую канализацию, подтверждался в реальном масштабе времени - еще в процессе наблюдений (по телефону).    Рисунок 18 - Карта слоя осадков, выпавших 19.08.2005 г. с 1859 до 2243 в водосборе р. Шалушка, где наблюдался интенсивный паводок (район паводка выделен кольцом). Следует отметить, что при наличии градовых осадков они дают наибольший вклад в суммарную количество осадков. Чем мощнее градовый процесс, тем больше вклад града в суммарное количество осадков. Поэтому мощные градовые процессы на Северном Кавказе практически всегда приводят к паводкам 1-го или 2-го типа. Ливневые осадки без града также приводят к паводкам, но при большей длительности осадков.   Рисунок 19 - Карта ливневых паводков, наблюдавшихся 21 июня и 19.08.2005 г. В большинстве случаев кучево-дождевая облачность с градом содержит несколько конвективных ячеек. Поэтому при многоячейковых процессах могут образоваться паводки вдоль траектории перемещения каждой мощной ячейки. Например, такие паводки 6.07.2003 г. сформировались, как показано на рисунке 20, севернее и северо-восточнее г. Тырныауз (бассейны реки Малка и Баксан), в бассейне реки Чегем, а особенно сильный паводок сформировался восточнее села Лескен в бассейне реки Урух, где слой осадков достиг более 40 мм.  Рисунок 20 - Карта количества осадков на территории Кабардино-Балкарии 6.07.2003 г. Красный цвет показывает районы наибольшего количества осадков, где сформировались паводки. В заключение следует отметить необходимость дальнейшей экспериментальной проверки метода с выделением наиболее паводкоопасных очагов и характеристик бассейнов их водосбора, а также развитием способов доставки информации до потенциальных потребителей.
|
