Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землюнад территорией Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 329.

Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землюнад территорией Западной Сибири

Произведена оценка распределения средних значений плотности разрядов молнии для территории Западной Сибири с учетом результатов спутниковых наблюдений за молниями методами корректировки, отработанными на основе сравнения результатов спутниковых и наземных наблюдений над разрядами молнии над территорией Германии. Полученные результаты сравнивались с картой грозовой активности, построенной другим методом.

Spatial distribution of lightning discharges density to ground in Western Siberia.pdf С вопросами молниезащиты и пространственного распределения молниевых разрядов приходится стал-киваться специалистам многих отраслей. Возрастает количество высотных зданий и площадь застройки; в промышленности применяются горючие и взрывоопас-ные вещества; в электронике и связи чаще применяют-ся чувствительные электронные приборы, которые чутко реагируют на возмущения, вызванные грозовыми разрядами. Результатом повреждений могут быть на-рушения нормального функционирования производст-ва, и в отдельных случаях поражения молнией приво-дят к трагическим последствиям.В России основными источниками информации о грозоопасности территории являются визуально-слуховые наблюдения на метеорологических станциях и эпизодические инструментальные наблюдения. Ин-струментальные наблюдения над грозами (количеством разрядов молнии в единицу времени на единице пло-щади) проводились около 20 лет назад в ряде пунктов ЕТР, в Восточной Сибири, в некоторых районах Запад-ной Сибири и Казахстана. Однако надежные данные о результатах непосредственного распределения плотно-сти разрядов молнии в землю (N) над Западной Сиби-рью не были получены, поскольку наблюдения были непродолжительными.В настоящее время в Якутии Институт космофизи-ческих исследований и аэрономии СО РАН [1. С. 73] проводит наблюдения за грозовой активностью с по-мощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера и системы Boltek LD - 250 и Storm Tracker. На Север-ном Кавказе Высокогорный геофизический институт совместно с французскими коллегами ведёт установку системы SAFIR. В Томской области на базе НИИ высо-ких напряжений Томского политехнического универ-ситета летом 2008 г. были установлены грозопеленга-торы Boltek LD - 250 и Storm Tracker и получены пер-вые результаты измерений. Система позволяет опреде-лить местоположение точки удара молнии в полярных координатах, время разряда молнии, а также отследить продвижение грозовых очагов. Необходимо отметить, что для построения климатических карт, объективно отражающих особенности пространственного распре-деления грозовой активности, потребуются данные наблюдений минимум за 10 лет. Однако потребителейуже сегодня интересует мезомасштабно-пространственное распределение значений плотности разрядов молнии над конкретными районами. Напри-мер, для планирования грозозащитных мероприятий энергетических объектов необходимы детальные кар-ты, отражающие пространственное распределение зна-чений плотности разрядов молнии, их амплитуды и крутизны. Эти характеристики необходимы для прак-тических расчетов величины индуктированных напря-жений на конструкциях линий электропередачи, уст-ройствах заземлителей, радиорелейных мачтах. По-скольку над значительной территорией нашей страны инструментальные наблюдения за грозами отсутству-ют, необходимо разрабатывать косвенные методы, по-зволяющие оценить грозоопасность той или иной тер-ритории не только на качественном уровне.Целью настоящего исследования является опреде-ление пространственного распределения плотности разрядов молний в землю для территории Западной Сибири на основе использования информации, полу-чаемой с искусственных спутников Земли.Построение такой карты представляется возмож-ным на основе сравнения результатов спутниковых и наземных инструментальных наблюдений над разряда-ми молнии. Для отработки предлагаемого метода и проверки его на пригодность выбрали территорию Германии, на которой действуют как наземная система местоопределения молний, так и система регистрации из космоса. На первом этапе сравнивались данные спутниковых и наземных наблюдений над разрядами молний и строились уравнения регрессии между анали-зируемыми характеристиками. На втором этапе полу-ченные результаты применялись для построения кар-ты-схемы плотности разрядов молнии в землю для Томской области, которая сравнивалась с картой, по-строенной ранее другим методом. На третьем этапе разработанный, проверенный и запатентованный метод [2. С. 1-8] применялся для определения значений плот-ности разрядов молнии над другими территориями За-падной Сибири.Материалом для исследований послужили ежеднев-ные данные о количестве разрядов молнии в землю, полученные наземной многопунктовой системой ме-стоопределения молний LPATS (Lightning Position And251Tracking System) и предоставленные компанией Siemens AG (Германия). В системе LPATS используется метод определения расстояния до грозового разряда по разности времени прихода сигнала на разнесенные ан-тенны (метод TOA - time-of-arrival) [3. С. 41]. Допол-нительно используется новый метод «совмещенной технологии для улучшения точности» (IMPACT -Improved Accuracy from Combined Technology), комби-нирующий метод ТОА и пеленгационный - определе-ния азимута местоположения грозового разряда. Сис-тема состоит из тринадцати приемников, удаленных друг от друга на расстояние от 200 до 300 км, соединен-ных линиями связи с центральным процессором; систе-мы отображения информации и навигационного спутни-ка, с помощью которого происходит синхронизация времени на субмикросекундном уровне. Внутри иссле-дуемой территории точность измерений достигает 250 м и уменьшается на ее границах до 1000 м. Эффективность определения наземных молний достигает 85-90%. С по-мощью системы можно определить координаты точки удара молнии (широта и долгота), полярность и ампли-туду тока молнии между облаком и землей.В качестве информации о количестве молний, заре-гистрированных из космоса, служили ежедневные дан-ные наблюдений спутника «Microlab-1», принадле-жавшего NASA и действовавшего в период 1995-1999 гг. [4]. Полярно-орбитальный спутник регистри-ровал разряды молнии над территориями, расположен-ными между 80º северной и южной широты, с помо-щью специального детектора OTD (Optical Transient Detector). Высота орбиты полета спутника достигала 740 км, под наблюдением находилась территория зем-ной поверхности в виде квадрата со стороной 1300 км, пространственное разрешение составляло 10 км. Каж-дые 100 мин спутник освещал территории, выбранные для настоящих исследований. По техническим причи-нам детектор OTD вел съемку только в 70% дней из 460. Поэтому к значениям количества разрядов молнии было необходимо ввести поправку на количество про-пущенных дней в регистрации гроз. Для этого произ-водились вычисления по формулеКисп = Кнач (1 + n / 92),(1)где Кисп - исправленное значение количества разрядов молнии за год; Кнач - начальное значение количества разрядов молнии за год; n - количество пропущенных дней за год; 92 - сумма всей летних дней за год.Например, летом 1995 г. спутником было зарегист-рировано 2294 разряда молнии (Кнач), но 7 из 92 дней спутник не вел съемку, поэтому после введения по-правки Кисп составило 2469 разрядов.Таким образом, за 5 лет для территории Германии была собрана информация о молниях, зарегистрирован-ных как из космоса, так и наземной системой грозопе-ленгации. Для большей территории России информация спутника была единственным способом получения дан-ных о молниях, регистрируемых с помощью техниче-ских устройств, а не визуально-слуховым методом.Для сравнения результатов спутниковых (Nспут) и наземных (Nназ) наблюдений над молниями территория Германии была разбита меридианами и параллелями на ячейки с шагом в 1º по широте и долготе. Данные о количестве разрядов молний, зарегистрированных изкосмоса, для каждой ячейки были доступны с офици-ального сайта NASA [4]. Количество разрядов молний над каждой из трапеций пересчитывалось в плотность разрядов молнии в землю на 1 км2 за год. Поскольку рельеф Германии чрезвычайно разнообразен, выделен-ные ячейки были отнесены к трем видам рельефа: рав-нинный (с высотой не более 300 м над ур. м.), горный рельеф (с высотами более 1000 м над ур. м.) и возвы-шенности (от 300 до 1000 м над ур. м.). Наибольший интерес представлял анализ равнинной территории, т.к. в дальнейшем полученные результаты применялись к равнинной территории Томской области. Было обна-ружено, что для выделенных равнинных участков ко-эффициент корреляции между Nназ и Nспут составил 0,93 и значим с вероятностью не менее 95%. В результате для равнинных территорий было построено линейное уравнение регрессии, позволяющее оценить плотность разрядов молнии в землю по результатам спутниковых наблюдений:Nоцен = 244,58 · Nспут + 0,46.(2)Для территории Томской области данные сайта NASA [4], содержащие информацию о количестве раз-рядов молний для каждой из ячеек сетки с интервалом в 1º по широте и долготе, пересчитывались в значения плотности разрядов молний на 1 км2 за год (Nспут). По-лученные значения подставлялись в уравнение (2) для оценки пространственного распределения плотности разрядов молний в землю на равнинных территориях Томской области. В результате расчетов были получе-ны значения плотности разрядов молнии в землю для всех ячеек с шагом в 1º и построена оценочная карта-схема плотности разрядов молнии в землю для всей территории Томской области (рис. 1). Полученная кар-та-схема была сравнена с картой, построенной ранее по результатам инструментальных измерений с помощью счётчиков молний. Заметим, что инструментальные наблюдения над разрядами молнии осуществлялись на 10 метеорологических станциях Томской области в течение грозовых сезонов 1985-1988 гг. Счетчики, ре-гистрирующие молнии в радиусе 10 км от станций, разработаны в НИИ ВН ТПУ и описаны в авторском свидетельстве [5. С. 1-4]. В результате сравнения ока-залось, что карта-схема, построенная на основе спут-никовой информации, хорошо согласуется и конкрети-зирует карту, опубликованную в [5. С. 4; 6. С. 127]. При этом спутниковая информация о молниях оказа-лась более подробной, поскольку оценка значений плотности молний производилась для ячеек с шагом 1˚ по широте и долготе, т.е. в среднем для участков с площадью 6 400 км2, а карта [5. С. 4] строилась по ре-зультатам регистрации десяти счетчиков, т.е. в среднем по одному счетчику на участок площадью 32 000 км2.Для Томской области плотность разрядов молнии в землю изменяется от 0,8 до 2,2 разр./км2 год при сред-нем значении 1,3. Повышенная плотность разрядов молнии в землю отмечается в двух районах: первый - в междуречье Оби и Чулыма; второй - в долине р. Обь от п. Александровское на юго-восток. Пониженная плот-ность отмечается в следующих районах: в окрестностях п. Пудино, между п. Белый Яр и п. Ванжиль-Кынак, а также на юго-восточной окраине Томской области в районе п. Тегульдет.252Разработанный способ определения плотности раз-рядов молнии в землю на территории умеренных широт Северного полушария подтвержден патентом [2. С. 1-8] и применялся для построения карт-схем плотности раз-рядов молнии для Кемеровской области, Алтайского края и Республики Алтай, а также для южной части Тю-менской области (рис. 2). За период с 1995 по 1999 г. плотность разрядов молнии на территории Кемеровскойобласти распределялась следующим образом: макси-мальное значение плотности разрядов молний в землю наблюдалось на северо-западе области в районе Анже-ро-Судженска и Мариинска; минимальное значение плотности разрядов молнии наблюдалось на юго-востоке области, в районе п. Таштагол. В общем, по тер-ритории области значения плотности разрядов умень-шались в направлении с северо-запада на юго-восток.Алек с андр ов0.5 1 1.5 2 2.5 р азу ./кб-КМ.Х о дРис. 1. Плотность разрядов молнии в землю над Томской областью, оцененная по спутниковым наблюдениямЮ1 "1 ИИ1ГЦН'КННЕ! иЛ,1!AjriMfiriciiii K|i siiiPfCI IJ Л IIIKU .\. I [ Ч]'|,А Кгмерихскня иблапъТлмгкян пйлягтъРис. 2. Пространственное распределение значений плотности разрядов молнии над территорией Западной Сибири253Для юга Тюменской области значения плотности разрядов молний изменялись от 0,9 до 2,8 разр./км2год. Самые высокие значения плотности разрядов молнии были приурочены к заболоченному северу (в окрестно-стях населенного пункта Уват - 2,5 разр./км2год), а также к крупным рекам, например в пункте Вагай, рас-положенном на реке Иртыш, - 2,8 разр./км2год.Орография также вносит свой вклад в распределе-ние плотности разрядов молнии. На севере рассматри-ваемой территории кроме болот располагается возвы-шенность Тобольский Матвик, которая способствует увеличению грозовой активности.Самые низкие значения плотности разрядов молнии относились к менее увлажненным территориям, на-пример район на юго-западе от г. Заводоуковска 1,2 разр./км2год, юго-западная часть области - 1,3, рай-он восточнее п. Большое Сорокино - 1,0 разр./км2год. Кроме того, необходимо учитывать близость Казахста-на, горячие ветры которого, проникая на территорию Тюменской области, высушивают и без того мало на-сыщенную влагой подстилающую поверхность, созда-вая неблагоприятные условия для развития конвектив-ной облачности.Над территориями Алтайского края и Республики Алтай значение плотности разрядов молнии изменя-лись от 1,5 до 3,5 разр./км2год. Наибольшая плотность наблюдалась на территории Алтайских гор на высоте 2000-3000 м над ур. м. в районе п. Шебалино. А наи-меньшее значение плотности - на северо-западе иссле-дуемой территории.В целом, анализируя распределение плотности раз-рядов молнии в землю для всей южной территории За-падной Сибири, можно отметить, что наибольшие зна-чения (3,5 разр./км2год) характерны для южной части территории (Республика Алтай), в то же время довольно высокие значения, до 2,8 разр./км2год, зафиксированы и для более северной Тюменской области. Вышеуказанное подтверждает значительную очаговость грозовой актив-ности, которая обусловлена не только широтой места, но, в значительной мере, и местными особенностями рельефа, направлением воздушных потоков, состоянием подстилающей поверхности и другими факторами.Однако потребителей интересует не только про-странственное распределение плотности разрядов мол-нии в землю, но и оценка максимально возможных зна-чений плотности. Эта информация необходима для проведения молниезащитных мероприятий. На приме-ре Томской области была проведена приблизительная оценка максимально возможных значений плотности разрядов молнии в землю (Nmax) по следующей форму-ле:Nmax = Nср + Псум,(3)где Nср - средняя плотность разрядов молнии в землю; Псум - суммарная поправка на годовой и суточный ход. В качестве максимально возможной плотности раз-рядов молнии в землю была представлена плотность за июль, т.к. в июле среднее годовое количество разрядов молнии было наибольшим (таблица).Средние годовые характеристики спутниковых наблюдений за разрядами молний для Томской областиПериодКоличество разрядов молнийИюнь260Июль760Август650Летний период560В июле количество разрядов молнии на 35% пре-восходит среднегодовое значение. Следовательно, по-правка на годовой ход составляет 1,35.В суточном ходе максимальные значения количест-ва разрядов молнии в землю, как по спутниковым, так и по данным грозопеленгаторов, отмечаются в 16 ч локального времени. Спутник «Microlab-1» облетал землю за 100 мин, значит, за одни сутки спутник про-летал над территорией Томской области до 4 раз. За рассмотренный пятилетний период спутник регистри-ровал молнии, как в дневное, так и в ночное время. Не-смотря на дискретный характер наблюдений, отчетливо вырисовывается суточный ход количества разрядов молнии. Для Томской области по данным детектора OTD максимум во временном ходе наступал в 16 ч ло-кального времени, дополнительно спутник регистриро-вал вторичный максимум в 18 ч (рис. 3). Для Томской области в среднем для каждого часа суток регистриро-валось около 350 разрядов. В 16 ч локального времени отмечалось максимальное количество разрядов - около 1800, что в 5 раз больше, чем в среднем для остального времени суток. Следовательно, поправка на суточный ход принималась равной 5.150010005002000Рис0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Время, локальное3. Суточный ход количества разрядов молнии, зарегистрированных спутником над Томской областью254Учитывая вышесказанное, максимальные значения плотности разрядов молнии в землю можно ожидать около 16 ч в июльский день. Следовательно, Псум равна сумме поправок на суточный и годовой ход и составля-ет 6,5 разр./км2год. Таким образом, максимально воз-можные значения плотности разрядов молнии в землю для Томской области в шесть раз могут превышать средние значения.На основании приведенного материала можно заклю-чить, что использование откорректированной спутнико-вой информации о молниях с достаточно хорошей точно-стью можно использовать для оценки пространственного распределения плотности разрядов молнии в землю для территорий, неоснащенных инструментальными измере-ниями молниевой активности или только приступивших к измерениям. В дальнейшем требуется продолжение ис-следований с целью совершенствования методики и её приложения для других территорий Западной Сибири.В подготовке базы данных и статистических расче-тах активное участие приняли студенты кафедры ме-теорологии и климатологии ТГУ: Е.С. Морару, О.А. Штейнле, Е.В. Федосеева.

Ключевые слова

пространственное распределение, плотность разрядов молнии, spatial distribution, ligtning discharges density

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Горбатенко Валентина ПетровнаТомский государственный университетдоктор географических наук, профессор кафедры метеорологии и климатологии геолого-географического факультетаgorbatenko@hdv.tpu.ru
Ершова Татьяна ВладимировнаТомский государственный педагогический университеткандидат физико-математических наук, доцент кафедры географии историко-географического факультетаgorbatenko@hdv.tpu.ru
Константинова Дарья АлександровнаТомский государственный университетстудентка 5-го курса геолого-географического факультетаDa_Konstantinova@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Козлов В.И., Муллаяров В.А. Грозовая активность в Якутии. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2004. 104 с.
Горбатенко В.П., Ершова Т.В. Способ определения плотности разрядов молнии в землю на территории умеренных широт Северного полушария / Патент Российской федерации на изобретение № 2332693. Опубликован 27 августа 2008 г.
LPATS IV Installation, Operation, and Maintenance Manual. 40176 REV 9810. Global Atmospherics, Ins., USA, 1998. 76 p.
Lightning and Atmospheric Electricity Research at the GHCC. Режим доступа: <http://thunder.msfc.nasa.gov/data>, свободный.
Раков В.А. Способ определения распределения годовой плотности разрядов молний в землю на исследуемой территории / Патент SU № 1812537А1. Опубликован 30.04.1993 г. С. 1-4.
Горбатенко В.П., Дульзон А.А. Результаты исследования грозовой активности над территорией Томской области // Известия ТПУ. 2006. № 2. С. 126-130.
 Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землюнад территорией Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 329.

Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землюнад территорией Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 329.

Полнотекстовая версия