Способ определения физического эффекта воздействия на градовые облака Российский патент 2020 года по МПК G01W1/00 G01S13/95 A01G15/00 

Изобретение относится к области активных воздействий (АВ) на гидрометеорологические объекты и может быть использовано для определения физического эффекта воздействия на градовые облака.

Известны различные способы оценки физической эффективности противоградовой защиты (ПГЗ), основанные на инструментальных методах, а также методах оценки данного эффекта по потерям урожая [1].

Согласно [1] (стр. 2), под физической эффективностью ПГЗ понимается степень успешности АВ, выраженная через изменения их физических параметров или ущерба от градобитий.

В нашем случае рассматривается физический эффект воздействия на градовые облака, под которым понимается успешность АВ, выраженная через изменение физических параметров облачной среды в зоне роста града непосредственно в процессе воздействия.

Оценка эффективности ПГЗ известными методами [1] (стр. 6-13) осуществляют путем сравнения значительного количества характеристик градовых осадков на защищаемой территории (частота выпадения града, площадь выпадения града, площадь поврежденных от градобития сельхозкультур, площадь градобития в пересчете на 100% повреждения, процент потерь сельхозпродукции от градобитий, карты кинетической энергии градовых осадков и глобальной кинетической энергии градовых осадков и на сравнении глобальной кинетической энергии града на защищаемой территории в год защиты и в период до защиты.

Недостатком известных способов является низкая точность измерения, обусловленная необходимостью измерения огромного количества различных определяющих физических параметров градового облака на разных стадиях его развития после воздействия на него реагентом, а также сложность реализации способов на практике. Оценку физической эффективности в данном случае осуществляю по окончании сезона или многолетнего периода защиты путем сравнения значений физической эффективности градовых осадков на защищаемой территории до и в период защиты или с их значениями на контролируемой территории [1] (стр. 4, п. 4.4.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ оценки физического эффекта засева объектов воздействия (ОВ), по изменению макрофизических характеристик засеянных облаков (их ячейковой структуры, пространственного строения конвективных ячеек, динамики развития облачной системы, площади навеса радиоэха, высоты и площади повышенного радиоэха) и изменению их микрофизических характеристик (приведенной водности и интегрального водосодержания конвективных ячеек, размера и кинетической энергии града) и их распределения в пространстве [2] (стр. 391-394).

При этом основными показателями реакции ОВ на засев в прототипе является трансформация пространственной структуры радиоэха:

- опускание нижней границы и исчезновение навеса радиоэха;

- трансформация характерной упорядоченной несимметричной структуры радиоэха суперячейковых и многоячейковых градовых облаков в осесимметричную;

- уменьшение поперечных размеров, высоты, площади и исчезновение объемов повышенной отражаемости в области отрицательных температур;

- трансформация одной области мощного радиоэха в несколько областей с более низкой отражаемостью;

- изменение направления и скорости перемещения засеянных реагентом ОВ.

По мнению авторов известного способа, уменьшение этих показатели свидетельствует об успешности проведенного АВ. Однако, как показывают практика и результаты анализа с воздействием и без, контроль огромного количества определяющих физических параметров градовых облаков сложен, что не обеспечивает оперативный контроль физического эффекта на градовые облака [3].

С учетом указанных недостатков, техническим результатом заявленного способа является обеспечение оперативного контроля физического эффекта воздействия на градовые облака, по изменению ограниченного числа определяющих параметров в зоне роста града после внесения реагента.

Технический результат достигается тем, что в известном способе оценки физического эффекта воздействия на градовые облака, путем радиолокационного зондирования облака на двух длинах волн η₁₀=10 см и η_3,2=3,2 см, с последующим определением степени изменения определяющих физических параметров облачной среды в зоне роста града после засева данной зоны реагентом, и оценки на этой основе физического эффекта активного воздействия, согласно предлагаемому способу предварительно, до начала воздействия на градовое облако реагентом, в зоне роста града с помощью двухволнового автоматизированного радиолокационного комплекса определяют точку с максимальным значением радиолокационной отражаемости на длине волны η₁₀ см, для которой затем определяют отражаемость на длине волны η_3,2 см, после чего с помощью данного комплекса для данной точки рассчитывают начальные значения трех основных определяющих физических параметров микроструктуры:

средний размер града

концентрацию градовых частиц

поток кинетической энергии града

где А, В, С, β, α1, α2, c1 и с2 - эмпирические коэффициенты,

затем в зону роста града известными методами вносится реагент, после чего для данной точки в каждом цикле обзора определяют новые значения радиолокационной отражаемости η₁₀ и η_3,2, и по ним определяют значения тех же параметров микроструктуры града:

средний размер града

концентрация градовых частиц

поток кинетической энергии града

после чего определяют тенденцию изменения данных параметров по знаку величин:

изменение среднего размера града

изменение концентрация градовых частиц ΔN_i=N_н-N_i

изменение поток кинетической энергии града

затем исходя из этой тенденции проводят оценку физического эффекта воздействия на градовое облако, полагая эффект воздействия успешным, если средний размер града и поток кинетической его энергии уменьшаются, а концентрация градовых частиц увеличивается, т.е. соблюдается условие: и , .

Технический результат достигается и тем, что в расчетах для градовых облаков второй и третьей категории используются коэффициенты, имеющие следующие значения: А=2,42; В=1,8⋅10⁵; С=2,3⋅10⁷; β=-0,796; α1=1,796; α2=-0,376; c1=0,819; с2=0,181.

Заявленный способ прост в реализации и обеспечивает в течение 15-20 минут после внесения реагента в зону роста града оперативный контроль физического эффекта воздействия на градовые облака, по изменению ограниченного числа определяющих параметров.

На рисунке показаны схематично: 1 - градовое облако; 2 - зона роста града, ограниченная во фронтальной части контуром радиолокационной отражаемостью η₁₀=45 dBZ; 3 - двухволновый автоматизированный радиолокационный комплекс; 4 - навес радиоэха; 5 - восходящие воздушные потоки; Стрелкой показано направление движения градового облака 1, а буквой «М» обозначена точка с максимальным значением радиолокационной отражаемости на длине волны η₁₀ см. Зона градовых осадков 2 расположена в области отрицательных температур и представляет собой область высокого содержания зародышей града и растущих градин, подпитываемая влагой, несущими воздушными восходящими потоками 5.

Пример выполнения предлагаемого способа

Предлагаемый способ был реализован на практике при проведении работ по активным воздействиям 5 июля 2019 года в Северокавказской военизированной службе.

В результате радиолокационного зондирования градового облака третьей категории 1, в зоне роста града 2 была определена точка «А», которая имела исходную максимальную отражаемость η₁₀=59 dBZ на длине волны излучения 10 см. Для этой же точки «А» с помощью программного обеспечения двухволнового автоматизированного радиолокационного комплекса 3 была вычислена отражаемость на длине волны 3,2 см, которая составила η_3,2=43 dBZ.

Оценка физического эффекта воздействия на градовое облако проводилась в полном соответствии с предлагаемым способом. При этом использовались следующие значения коэффициентов для градового облака третьей категории: А=2,42; В=1,8⋅10⁵; С=2,3⋅10⁷; β=-0,796; α1=1,796; α2=-0,376; c1=0,819; с2=0,181.

Значения определяющих параметров облачной среды в зоне роста града до воздействия (16³²) и после воздействия (16³⁸, 16⁴³, 16⁴⁹ и 16⁵⁵) приведены в таблице 1.

Из приведенных данных следует, что физический эффект АВ в рассматриваемом эксперименте проявился уже через 12 минут после внесения реагента в зону роста града 2. При этом стало соблюдаться условие: и . До 12 минут данные условия не соблюдались по той причине, что за это время реагент не успел сработать. Инкубационный период срабатывания реагента, как показала практика, составляет 8-15 минут. Данный период зависит от многих факторов, в том числе от размеров облака, коэффициента турбулентности, скорости воздушных потоков, температурных градиентов и прочих параметров облачной среды.

В отличие от прототипа заявленный способ прост в реализации и обеспечивает оперативный контроль физического эффекта воздействия на градовые облака в течение 15-20 минут по изменению ограниченного числа определяющих параметров облака после внесения реагента в зону роста града. Способ позволяет также осуществлять оперативный контроль успешности проведения противоградовых операций и уточнять дальнейшую стратегию проведения воздействия на градовые облака различных типов.

Источники информации

1. Руководящий документ РД 52.37.732-2010. Методы определения эффективности активного воздействия на градовые процессы и порядок отчетности о проведении противоградовой защиты. - Нальчик. Редакция журнала «Эльбрус» С. 6-13.

2. A.M. Абшаев, М.Т. Абшаев, М.В. Барекова, A.M. Малкарова. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. - Нальчик, 2014. С. 391-394. Прототип.

3. Инюхин B.C. Закономерности рассеяния радиолокационного сигнала сантиметрового диапазона в градовых осадках // Радиолокационная метеорология и активные воздействия: (сборник статей) - СПб.: ГГО. 2012. С. 133-145.

Изобретение относится к средствам определения физического эффекта воздействия на градовые облака. Сущность: до начала воздействия на градовое облако в зоне роста града с помощью двухволнового автоматизированного радиолокационного комплекса определяют точку с максимальным значением радиолокационной отражаемости на длине волны η₁₀ см. Для данной точки определяют радиолокационную отражаемость на длине волны η_3,2 см. Рассчитывают для данной точки начальные значения трех основных физических параметров микроструктуры града: среднего размера града, концентрации градовых частиц, потока кинетической энергии града. Затем в сторону роста града вносят реагент. После чего для указанной точки в каждом цикле обзора определяют новые значения радиолокационной отражаемости на длине волны η₁₀ см и на длине волны η_3,2 см. По полученным значениям отражаемости рассчитывают значения тех же параметров микроструктуры града: среднего размера града, концентрации градовых частиц, потока кинетической энергии града. Определяют тенденцию изменения данных параметров и оценивают физический эффект воздействия на градовое облако. Технический результат: обеспечение оперативного контроля физического эффекта воздействия на градовые облака. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ определения физического эффекта воздействия на градовые облака путем радиолокационного зондирования облака на двух длинах волн η₁₀=10 см и η_3,2=3,2 см с последующим определением степени изменения определяющих физических параметров облачной среды в зоне роста града после засева данной зоны реагентом и оценки на этой основе физического эффекта активного воздействия, отличающийся тем, что предварительно, до начала воздействия на градовое облако реагентом, в зоне роста града с помощью двухволнового автоматизированного радиолокационного комплекса определяют точку с максимальным значением радиолокационной отражаемости на длине волны η₁₀ см, для которой затем определяют отражаемость на длине волны η_3,2 см, после чего с помощью данного комплекса для данной точки рассчитывают начальные значения трех основных определяющих физических параметров микроструктуры града:

- среднего размера града

- концентрации градовых частиц

- потока кинетической энергии града

где А, В, С, β, α1, α2, c1 и с2 - эмпирические коэффициенты,

затем в зону роста града известными методами вносится реагент, после чего для данной точки в каждом цикле обзора определяют новые значения радиолокационной отражаемости η₁₀ и η_3,2 и по ним определяют значения тех же параметров микроструктуры града:

- среднего размера града

- концентрации градовых частиц

- потока кинетической энергии града

после чего определяют тенденцию изменения данных параметров по знаку величин:

- изменение среднего размера града ;

- изменение концентрации градовых частиц ;

- изменение потока кинетической энергии града ,

затем исходя из этой тенденции проводят оценку физического эффекта воздействия на градовое облако, полагая эффект воздействия успешным, если средний размер града и поток кинетической его энергии уменьшаются, а концентрация градовых частиц увеличивается, т.е. соблюдается условие: и , .

2. Способ определения физического эффекта воздействия на градовые облака по п. 1, отличающийся тем, что в расчетах для градовых облаков второй и третьей категории используются коэффициенты, имеющие следующие значения: А=2,42; В=1,8⋅10⁵; С=2,3⋅10⁷; β=-0,796; α1=1,796; α2=-0,376; c1=0,819; с2=0,181.