1. Введение
Зачастую при интенсивном выпадении града повреждения сельскохозяйственных культур могут достигать 100%. При частичном повреждении растения могут оправиться, но урожайность с такого поля будет значительно ниже. Проводимые противоградовые работы по защите сельскохозяйственных культур от градобития, не позволяет обеспечить 100-процентную эффективность [1]. В связи с этим актуальной задачей является улучшение существующей технологии и средств защиты от града.
Активные воздействия на градовые облака осуществляются по российской технологии, которая подробно описана в руководящих документах [2]. Одним из важных параметров, который используется при воздействии на конвективные ячейки, является специализированный градовый прогноз. Такие прогнозы включают анализ синоптической обстановки, термодинамического состояния атмосферы на период максимального развития конвекции, а также прогнозы кучево-дождевой облачности, ливневых осадков, гроз, града и шквалов [3], [4], [5]. Эти прогнозы необходимы для оперативного планирования и проведения работ всеми подразделениями противоградовых служб. Район действия прогноза охватывает защищаемую и прилегающую территории.
2. Методы и принципы исследования
Для районов с противоградовой защитой выявлены основные типы синоптических ситуаций, при которых наиболее вероятно развитие конвективных облаков. Градовые облака часто возникают в условиях атмосферных фронтов, где взаимодействуют тёплый и холодный воздух. Различия в температуре и влажности провоцируют интенсивные конвективные движения, способствующие образованию гроз и градовых облаков. По многолетним наблюдениям Северо-Кавказской военизированной службы, в Центральной части Кавказа 90% градовых процессов имеют фронтальное происхождение, 10% — внутримассовое. На территории Центрального Кавказа градовые процессы связаны с четырьмя типами атмосферных фронтов:
- 66% — при вторжении холодных фронтов (ХФ);
- 4% — при вторжении тёплых фронтов (ТФ);
- 27% — при влиянии фронтов окклюзии;
- 3% — при влиянии вторичных холодных фронтов.
На рисунке 1 показано распределение повторяемости дней с градом для различных типов фронтов.
Распределение дней с градом для различных типов фронтов
Наибольшее число градобитий связано с вторжением полярных масс (78%), 22% случаев — с тропическими массами. На рисунке 2 показано распределение дней с градом по типам воздушных масс.
Распределение дней с градом по типам воздушных масс
Для составления специализированных прогнозов погоды необходимы следующие материалы:
1. Приземные и кольцевые карты погоды.
2. Комплект карт барической топографии до 200 мб.
3. Прогностические карты приземного поля и AT850.
4. Информация об облачности с метеорологических спутников.
5. Данные радиозондирования атмосферы.
В последние годы радиозондирование проводится нерегулярно, что затрудняет точное определение высоты изотерм [6]. Эта проблема становится критичной при интенсивных градовых процессах. Использование радиометров может решить задачу оперативного определения высоты нулевой и -6 °C изотерм, необходимых для корректного планирования противоградовых воздействий. Для воздействия на градовые облака большое значение имеет высота изотермы -6 оС, потому что технология воздействия на градовые облака использует кристаллизующей реагент AgI, а он более эффективен в переохлаждённой части облака, при температурах от -6 до -12 оС [7].
Сейчас в районе исследования прогноз проводится в ближайшей точке аэрологического зондирования атмосферы в аэропорту Минеральных Вод и данные с него не регулярны, хотя используются, как для авиации, так и для противоградовых работ всех служб Северного Кавказа. Проблема заключается в том, что аэрологическое зондирование проводят два раза в сутки в 00 и 12 часов по Гринвичу, а высота изотермы 0 и -6 оС имеют свойство изменяться в течение дня. Использование 12 часового зондирования с периодичностью в 12 часов зачастую имеет погрешность, к тому же данные зондирования поступают к прогнозисту не сразу, что неблагоприятно при интенсивных градовых процессах [8].
При анализе пропуска градобитий на защищаемой территории нами были сделаны выводы, что одна из причин не точное определение высоты изотермы -6 оС и как следствие не верный угол возвышения при стрельбе [9], [10], [11], [12]. Для оперативного нахождения изотермы 0 и -6 оС возможно использование радиометров для каждой из служб по борьбе с градом [13]. Анализ сравнения показаний радиометра и станцией аэрологического зондирования и является целью данной работы.
3. Основные результаты
На научно-исследовательском полигоне «Кызбурун» был установлен радиометр RPG-FMCW-94-B (рис. 3). Рабочая частота 94 ГГц позволяет достичь более высокой чувствительности при меньшем форм-факторе, чем у радаров X- и Ka-диапазона [14]. Небольшие размеры и малый вес системы позволяют использовать радар в мобильных измерительных платформах. Короткая длина волны и высокая средняя передаваемая мощность (1,5 Вт) обеспечивают высокую чувствительность -45 dBZe на дистанции 5 км со средним временем в 1,7 секунды. Благодаря пропорциональности доплеровского сдвига рабочей частоте радар может достигать Доплеровское разрешение составляет 1,7 см/с или даже выше.
Облачный радар, радиометр RPG-FMCW-94-B
Сигнал FMCW генерируется с помощью твердотельного передатчика, который намного дешевле и надежнее, чем передатчики на основе вакуумной трубки, которые часто используются в импульсных облачных радарах. В радиолокационном передатчике не используется высокое напряжение, которое часто требуется в импульсных системах и может привести к выходу прибора из строя при работе во влажных условиях из-за высоковольтных разрядов. Низкая пиковая мощность, составляющая порядка нескольких Ватт, менее критична для электромагнитной совместимости. Цифровое формирование сигнала исключает изменение формы сигнала, которое может иметь место, но не всегда отслеживается в импульсных системах. В импульсных радарах форма импульса может изменяться из-за старения передатчика. Изменение формы импульса приводит к рассогласованию принимающего фильтра и, следовательно, к потере чувствительности и неправильной калибровке. Радар может измерять атмосферные профили с пространственным разрешением до 1 м, что часто недоступно для импульсных облачных радаров. Минимальная дальность наблюдения составляет 50 м и очень высокое разрешение по дальности позволяет проводить детальные наблюдения за пограничным слоем и туманом. Автоматическая регулировка усиления исключает насыщение приемника в случае сильных осадков.
Данный вид радиометра позволяет получать различные метеорологические характеристики см. рисунок 4, но в данной статье нас интересует только высота нулевой изотермы.
Термодинамический профиль
В течение летнего сезона 2024 года на НИП «Кызбурун» ежедневно в 15:00 проводились измерения высоты нулевой изотермы радиометром, что соответствовало времени 12 UTC запуска аэрологических зондов в Минеральных Водах (61 км от полигона). Для сравнения показаний радиометра и аэрологической станции, расстояние на наш взгляд приемлемое.
В нашем эксперименте данные распределяются таким образом, что оказалось возможным описать их изменение линейной зависимостью рисунок 5.
Аппроксимация показаний RPG и зондирования атмосферы
Из графика видно, что за три летних месяца с июня по август, измерений высоты нулевой изотермы и сравнений с аэрологическим зондированием атмосферы коэффициент аппроксимации R2=0,7, что соответствует тесной связи между показаниями.
4. Заключение
Из проделанной работы можно сделать вывод, что радиометр RPG-FMCW-94-B позволяет оперативно определять высоту нулевой изотермы в течение дня, что улучшает точность противоградовых мероприятий. Использование радиометра снижает зависимость противоградовых служб от аэрологического зондирования, позволяя проводить измерения непосредственно над защищаемой территорией. Результаты эксперимента показали высокую корреляцию между показаниями радиометра и данных аэрологической станции, что подтверждает его надёжность и точность.Внедрение радиометра в противоградовые работы может существенно повысить их эффективность и снизить риск ущерба от градобитий.