AN EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF ARTIFICIAL PRECIPITATION INCREASE ON THE EXAMPLE OF STAVROPOL KRAI

С развитием агропромышленного комплекса, промышленности и коммунального хозяйства, с ростом городов и численности населения, а также значительного уменьшения количества осадков значительно возросла потребность в пресной воде. Вопрос пополнения естественных водных ресурсов стал насущной проблемой. Одним из вариантов решения этой задачи было строительство новых водохранилищ, но климатический тренд уменьшения осадков значительно снижает эффективность этих систем. В связи с этим они не могут удовлетворить потребности в пресной воде из-за малого пополнения водозапасов за счет атмосферных осадков. В результате многочисленных изысканий в разных странах разработаны устройства и технологии для засева облаков льдообразующими ядрами с целью увеличения количества осадков. В настоящее время насчитывается несколько десятков научно-исследовательских и оперативных проектов по искусственному регулированию осадков, проводимых в различных странах мира – Австралии, США, Канаде, Израиле, Италии, Индии, Китае, что свидетельствует о значительном интересе к проблеме и ее практической значимости. Но многие проекты не предусматривают проведения исследовательских этапов, так как такие работы с самого начала направлены на получение дополнительных осадков, поэтому исследовательские работы носят исключительно фрагментарный характер.

Среди множества вопросов по активным воздействиям, которые требуют дополнительного изучения, является проблема возможного перераспределения жидких осадков на прилегающих к опытным территориям. Некоторые ученые считают, что увеличение или уменьшение количества осадков в одном районе повлечет за собой колебания количества осадков в районах, расположенных с подветренной стороны от районов воздействия, в которых осуществлялся засев облаков [1]. Все это обусловливает необходимость более тщательного анализа. Для изучения вопроса возможного перераспределения жидких осадков на прилегающих к опытным территориям был выбран Ставропольский край.

Ставропольский край является одним из важнейших сельскохозяйственных регионов Российской Федерации. Ведущей отраслью экономики края является агропромышленный комплекс, который обеспечивает более 30% прибыли. Ставропольский край расположен на юго-западе России и обладает уникальной ландшафтной структурой, где сочетаются особенности Русской равнины и Большого Кавказа. В последнее время отмечается глобальное потепление климата, которое в разных регионах имеет свои особенности, а Ставропольский край находится в зоне риска, часто оказываясь в сложных погодно-климатических условиях. Отсутствие влаги в метровом слое и сильные заморозки приводят к крайне негативным последствиям для отрасли. Для регулирования остро вставшей проблемы было принято решение начать на территории Ставропольского края опытные работы с целью искусственного увеличения осадков.

В настоящем исследовании при выборе прилегающей территории (ПТ) исходили из структуры полигонов Ставропольской службы. В качестве ПТ были приняты территории, расположенные восточнее от территории активных воздействий. Для статистического анализа вопроса перераспределения количества осадков был использован метод исторической регрессии. Необходимо отметить, что при выборе данного метода были соблюдены все требования, определяющие возможность его использования [1], [3], [5], [6]. Результаты выполненного в этом направлении исследования приведены ниже.

В работе представлен статистический анализ, разработанный на основе метода исторической регрессии и предназначенный для оценки работ по искусственному увеличению осадков (ИУО) на большой территории [7], [8], [9], [10]. Территории для оценки были выбраны так, что соответствуют основным требованиям для их дальнейшего сравнения методом исторической регрессии. К числу основных требований относится следующее: сходные физико-географические характеристики; близкие по площади воздействия размеры, близкая к ним плотность наземной осадкомерной сети, примерно одинаковая с ней длина рядов наблюдений за осадками; устойчивая во времени корреляционная связь осадков между сравниваемыми территориями за возможно более длительный ряд лет до начала активных воздействий.

В качестве контрольных территорий были взяты: Минеральные Воды, Кисловодск, Карачаевск. Прилегающие территории: Нальчик, Прохладный, Терек, Каменномостское, Моздок, Южно-Сухокумск, Терекли-Мектеб, Кочубей. Выбор контрольных станций и оценка результатов воздействий производится по отдельности для каждой из территорий. Также по отдельности выполняется оценка для каждого сезона работ.

Наличие высокой корреляции количества осадков между сравниваемыми территориями и отсутствие влияния активных воздействий на контрольных территориях позволяет использовать данный метод. Базовыми данными, на которых основывается метод, являются осредненные данные осадков за весенне-летний сезон (май-август) с отдельных метеостанций. Осреднение осадков дает возможность снизить коэффициенты вариации осадков. Расчетный период выбран с 1970 по 1985 годы, т.к. с 1986 г. на территории Ставропольского края были начаты работы по АВ на конвективные облака с целью ИУО, в связи, с чем был нарушен естественный режим выпадения атмосферных осадков.

Временной ход количества осадков по всему региону показывает, что количество осадков на всей территории имеет квазипериодические колебания с циклами от 2 до 6 лет (рис.1). Годы максимума и минимума по всем исследуемым районам совпадают. Анализ временного хода также показывает, что в период с 1971 по 1977 г. отмечается увеличение количества осадков на всей исследуемой территории, а с 1977 по 1979 г. отмечается устойчивая тенденция уменьшения среднего количества осадков за сезон (май-август) на всей территории. Определенная синхронность такой картины, скорее всего, обусловлена тем, что основное количество осадков выпадает при фронтальных процессах, проходящих по всему региону.

Рисунок 1 - Временной ход осадков (май-август) на контрольных и прилегающих территориях

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.83.1

Прежде чем начать статистический анализ эффекта перераспределения количества осадков необходимо убедиться в том, что длина статистических рядов данных достаточна для получения статистически значимых результатов. Для оценки достаточности рядов данных для получения статистически значимых выводов проводится экзамен на t-тест, предполагая, что выборки, имитирующие генеральные совокупности {Nsi}и {Nci}состоят из нормально распределенных случайных величин с параметрами соответственно, где М – математическое ожидание, а D – дисперсия рассматриваемых параметров. Воспользовавшись статистикой t Стьюдента для сравнения средних двух независимых нормальных совокупностей, строится односторонний доверительный (с уровнем доверия 1-α) интервал (-∞, (Ns - Nc)k) для величины . При этом критическое значение (Ns - Nc)k) связано с верхней квантилью tα (подсчитанной с помощью нормальной аппроксимации) уровня α распределения Стьюдента (44) с (ns+nc-2) степенями свободы соотношением:

(1)

Отсюда для интересующего нас эффекта искусственного увеличения осадков, получим критическое для t- теста значение эффекта ИУО Ек(%):

(2)

где – верхняя квантиль уровня 2α распределения величины ; – среднеквадратичное отклонение количества осадков в годы активных воздействий и до воздействий соответственно; и – количество лет активных воздействий и количество лет наблюдений до активных воздействий (т.е. за экспериментальную единицу принят год).

Для проведения t-теста необходимо сравнить фактическое значение эффективности E с критическим Ek, найденным по формуле (2). Если E > Ek, то эффективность искусственного увеличения осадков считается значимой при выбранном уровне значимости α=0,05, и количество лет до ИУО и в период ИУО достаточным для статистически значимого вывода о том, что увеличение осадков обусловлено активными воздействиями, а не природной изменчивостью. Если же E ≤ Ek, то можно предполагать, что активные воздействия не привели к существенным изменениям осадков, т.е. среднестатистические изменения сравнимы с естественной изменчивостью количества осадков и нет оснований утверждать, что эффект увеличения осадков присутствует. На основе статистического анализа было получено, что длина статистических рядов данных (1970-1997гг.) достаточна для получения статистически значимых результатов.

Для оценки эффекта перераспределения количества осадков была использована, полученная с помощью регрессионного анализа связь количества осадков на контрольной (x) и прилегающей территории (y):

(3)

Получен коэффициент корреляции между осадками, сравниваемых территорий r = 0,8. Для оценки коэффициента корреляции rr генеральной совокупности воспользуемся формулой:

(4)

Необходимо проверить гипотезу о значимости выборочного коэффициента корреляции. То есть при уровне значимости 0,05 проверим нулевую гипотезу о равенстве нулю генерального коэффициента корреляции H0:rr=0. В качестве критерия проверки нулевой гипотезы принимается случайная величина

(5)

По уровню значимости 0,05 и числу степеней свободы k, находим по таблице распределения Стьюдента критическую точку двусторонней критической области tкр.:

tкр(0,05;16)=2,12.

Поскольку .> tкр, нулевую гипотезу отвергаем. Следовательно, выборочный коэффициент корреляции значимо отличается от нуля, т.е. осадки на прилегающей и контрольной территории коррелированы.

Погрешность определения ожидаемого количества осадков на прилегающей территории по уравнению регрессии (1) равна среднеквадратичному отклонению от уравнения регрессии:

(6)

s = ±11,4(мм).

В таблице 1 приведены данные о дополнительных количествах осадков, рассчитанных по уравнению 3 и фактических осадках на сравниваемых территориях за каждый год проведения активных воздействий. Анализ результатов сезонной эффективности воздействия для Ставропольского края в целом (табл.1) показал, что за 10 лет сезонов работ было получено от 6,8 - 48,8 мм дополнительной воды, что составило 11-19% от естественных осадков.

Также для оценки значимости эффекта воздействия в единичном эксперименте (за один сезон) применяется метод трех дельта [8], если то об эффекте воздействия можно говорить с доверительной вероятностью 68%; если – доверительная вероятность равна 95 %; если же – доверительная вероятность практически 100% [8], [9]. В практике работ по ИУО удовлетворительной считается доверительная вероятность 68%, т.е. условие [1].

Таким образом, при статистической оценке годовых результатов работ раздельно получаем, что количество дополнительных осадков за сезон должно быть , чтобы с доверительной вероятностью 68% говорить о значимом эффекте перераспределения количества осадков. При статистической оценке результатов работ за весь период получаем, что количество дополнительных осадков в 5,7мм значимо на уровне значимости 0,5.

Проанализировать эффект перераспределения количества осадков за каждый отдельно взятый год с активными воздействиями, необходимо выяснить к какому году он относится – с избытком или наоборот с дефицитом осадков. Для этого воспользуемся методом интегральных кривых, где отклонения от нормы имеют положительный знак, т.е. соответствует году с избытком осадков, а участок с отрицательным значением К – периоду с дефицитом осадков. Здесь – месячная сумма осадков за каждый год, – месячная норма осадков.

Среднеарифметическое количество осадков на прилегающей территории Xi = 81 мм.

Полученные результаты, позволяют говорить о том, что на прилегающей к опытной территории не наблюдается эффект перераспределения количества осадков, т.к. колебания количества осадков не выходят за пределы природных колебаний за исключением 1988 г.

Всего за период (1986-1997 гг). были проанализированы данные для шести точек контрольной и восьми точек на прилегающей территории. Из таблицы 1 видно, что при рассмотрении всей совокупности засеянных и контрольных территорий без стратификации опытов наблюдается положительный эффект.

Результаты, полученные на основе метода исторической регрессии и метода трех дельта, подтверждают, что количество дополнительных осадков за сезон активных воздействий должно быть 11,4 мм, чтобы говорить о значимом эффекте перераспределения осадков с доверительной вероятностью 68%. Исключением является только один сезон активных воздействий (1988 г), когда год сам по себе является с достаточным количеством влаги, и где относительная эффективность в 1,7 превышает ожидаемое количества осадков. Отнести этот факт к перераспределению осадков из-за активных воздействий на соседних территориях сложно.