RU2642830C1 - Способ определения величины объемного заряда облаков - Google Patents

Способ определения величины объемного заряда облаков Download PDF

Info

Publication number
RU2642830C1
RU2642830C1 RU2017111176A RU2017111176A RU2642830C1 RU 2642830 C1 RU2642830 C1 RU 2642830C1 RU 2017111176 A RU2017111176 A RU 2017111176A RU 2017111176 A RU2017111176 A RU 2017111176A RU 2642830 C1 RU2642830 C1 RU 2642830C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
clouds
charge
cloud
moving
space charge
Prior art date
Application number
RU2017111176A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Михайлович Чекрыжов
Павел Николаевич Свиркунов
Сергей Владимирович Козлов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун"
Priority to RU2017111176A priority Critical patent/RU2642830C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2642830C1 publication Critical patent/RU2642830C1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G01S13/958—Theoretical aspects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системах мониторинга опасных явлений погоды, а также в исследованиях электрических процессов в атмосфере и геофизических исследованиях. Достигаемый технический результат – упрощение определения объемной плотности грозоопасного заряда на основе использования сетевых геомагнитных, метеорологических и спутниковых данных, а также расширение возможностей его определения в случае движущихся облаков по их собственному магнитному полю, что в свою очередь открывает возможность получения прогностических оценок развития грозы. Указанный результат достигается за счет того, что: величину объемной плотности движущегося на определенной высоте заряда облака определяют по величине скорости движения V, индукции его собственного магнитного поля ΔВ и по геометрическим параметрам расположения центральной части объемного заряда относительно точки регистрации магнитной индукции в соответствии с формулой:
Figure 00000007
,
где ρ - объемная плотность заряда облака (Кл/м3);
ΔВ - магнитная индукция движущегося объемного заряда облака (Тл);
V - скорость движения объемного заряда (м/с);
Hh и
Figure 00000008
- высоты верхней и нижней границ облаков, соответственно (м);
L - ширина массива движущихся облаков по линии, перпендикулярной вектору скорости (м);
α - угол между вертикалью и направлением на центр объемного заряда от точки регистрации магнитной индукции (рад);
μ0 - магнитная постоянная, равная 4π×10-7 (Гн/м).
Среднюю скорость и направление движения облаков V в районе наблюдения определяют по результатам измерения вертикального профиля скорости ветра на сетевых аэрологических станциях с помощью радиозондов, а также по спутниковым наблюдениям. Величину индукции ΔВ движущегося объемного заряда облаков определяют по разности индукций геомагнитного поля, регистрируемых на ближайшей сетевой геомагнитной обсерватории, где по спутниковым снимкам не наблюдается облаков, и на аналогичной геомагнитной обсерватории, где наблюдается прохождение потенциально опасной облачности. Ширину облачного массива L по линии, перпендикулярной вектору скорости движения, и высоту верхней границы облаков Hh определяют по данным спутниковых наблюдений. Высоту нижней границы облаков

Description

Описание изобретения
Изобретение относится к метеорологии и, в частности, к дистанционным пассивным методам контроля электрического состояния облачности. Оно может быть использовано в системах мониторинга грозоопасных явлений погоды, а также в геофизических исследованиях.
Известен дистанционный активный способ измерения параметров электрических зарядов атмосферы [1. Патент РФ №2491574], при котором плотность электрического заряда облаков вычисляется с помощью специальных формул по регистрируемым параметрам отраженных электромагнитных волн от исследуемой области.
Основным недостатком способа является необходимость использования радиолокаторов для зондирования исследуемой области облаков электромагнитным излучением с заданными характеристиками. В труднодоступных районах и, особенно, при мониторинге за пределами страны возможности метода весьма ограничены.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу определения величины заряда облаков (прототипом к предлагаемому изобретению) является способ определения параметров заряда, вовлеченного в грозовой разряд [2. Авторское свидетельство СССР №1583908, приоритет от 23.08.88 г., Бюл. №29 от 07.08.1990 г.].
Данный способ заключается в том, что в двух и более разнесенных пунктах специальной сети наблюдений располагают датчики электрического и магнитного полей с приборами, регистрирующими скачки напряженности электрического и магнитного полей во время разрядов молний. Далее, решая сложную систему уравнений, определяют параметры заряда, вовлеченного в грозовой разряд.
Данный способ обладает некоторыми недостатками. Во-первых, он не позволяет определить величину потенциально опасного заряда облаков еще не вовлеченного в молниевый разряд. Во-вторых, данным способом невозможно определить движущийся в пространстве и изменяющийся во времени объемный заряд облаков, потенциально грозоопасный для района прохождения. В-третьих, в условиях начавшихся осадков невозможно корректно измерить напряженность вертикальной компоненты электрического поля Ez, поскольку осадки сильно искажают показания датчиков электрического поля (электростатических флюксметров). В итоге, этот способ работает только в периоды, когда осадки отсутствуют.
Цель изобретения - упрощение определения объемной плотности грозоопасного заряда на основе использования сетевых геомагнитных, метеорологических и спутниковых данных, а также расширение возможностей его определения на случай движущихся облаков по их собственному магнитному полю и на случай выпадения осадков.
Технический результат достигается следующим образом.
Среднюю высоту, скорость и направление движения облаков в районе наблюдения определяют по результатам измерения вертикального профиля скорости ветра на сетевых аэрологических станциях с помощью радиозондов.
Известно, что движущийся объемный заряд создает собственное магнитное поле, индукция которого пропорциональна произведению величины заряда на скорость его перемещения [3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике - М., «Наука», 1974, 942 с.]. При отсутствии облачности или объемных зарядов в атмосфере разность текущих значений магнитной индукции, регистрируемой на двух ближайших сетевых геомагнитных обсерваториях, сохраняется близкой к нулю. При прохождении грозоопасной облачности над одной из обсерваторий магнитометры реагируют на изменение индукции геомагнитного поля, вызванное прохождением облачного заряда. Таким образом, величину индукции движущегося объемного заряда облаков можно определить по разности индукций геомагнитного поля ΔВ, регистрируемых на ближайшей (опорной) геомагнитной обсерватории, где по спутниковым снимкам не наблюдается облаков, и на геомагнитной обсерватории, где наблюдается прохождение потенциально опасной облачности.
Величину объемной плотности движущегося заряда облака определяют по величине скорости движения V, индукции его собственного магнитного поля ΔВ и по геометрическим параметрам расположения центральной части объемного заряда относительно точки регистрации магнитной индукции в соответствии с формулой:
Figure 00000001
,
где ρ - объемная плотность заряда облака (Кл/м);
ΔВ - магнитная индукция движущегося объемного заряда облака (Тл);
V - скорость движения объемного заряда (м/с);
Hh и
Figure 00000002
- высоты верхней и нижней границ облаков, соответственно (м);
L - ширина массива движущихся облаков по линии, перпендикулярной вектору скорости (м);
α - угол между вертикалью и направлением на центр объемного заряда от точки регистрации магнитной индукции (рад);
μ0 - магнитная постоянная, равная 4π×10-7 (Гн/м).
В качестве примера рассмотрим применение предлагаемого способа для достижения технического результата на основе реальных данных.
Параметры мощного циклона, быстро перемещавшегося 4-5 апреля 2012 г. с запада на восток по Калужской (над Обнинском) и Московской областям с аномально сильным снегопадом и характеризовавшегося как опасное метеорологическое явление, подробно рассмотрены в статье [4. А.Ф. Нерушев, М.А. Новицкий, О.Ю. Калиничева, Л.К. Кулижникова, Л.И. Милехин, Д.Е. Чечин - Динамика атмосферных характеристик в период интенсивного снегопада в центральной части ЕТР в апреле 2012 года, «Метеорология и гидрология», 2013, №2].
На аэрологической станции (г. Долгопрудный, Московская обл.) в это время зарегистрирована средняя скорость перемещения средней части облачной толщи, с положительным зарядом, равная 22 м/с.
Разность индукций ΔВ геомагнитного поля, на обсерватории
Figure 00000003
(Ярославская обл.), где отсутствовала облачность по спутниковым снимкам, и в Обнинске, Калужская обл., где за несколько часов до выпадения снега наблюдалась мощная облачность, предшествовшая снегопаду, равнялась 4 нТл.
Подставляя в вышеприведенную формулу высоту верхней границы облаков Hh=10000 м и ширину облачного массива L=3⋅105 м по данным спутниковых наблюдений из [4], а также высоту нижней границы облачности по данным метеостанции в г. Малоярославце
Figure 00000004
, величину магнитной индукции ΔВ=4⋅10-9 Тл, скорость перемещения центральной части объемного заряда V=22 м/с и учитывая, что cosα=1 (середина облачного массива проходила над Обнинском), получим ρ=23⋅10-10 Кл/м3.
Этот результат согласуется с данными непосредственных экспериментальных измерений величины плотности объемного облачного заряда в опасных метеорологических ситуациях [5. Имянитов И.М. Электрическая структура мощных конвективных облаков (Си cong.) и ее связь с движениями воздуха в облаках. - В кн.: Исследование облаков, осадков и грозового электричества. М., Гидрометеоиздат, 1961, с. 225-238].
Предлагаемое техническое решение применимо на практике, поскольку для его реализации могут быть использованы данные наблюдений сети стандартных аэрологических, метеорологических станций, геомагнитных обсерваторий, а также спутниковые снимки земной поверхности как на территории Российской Федерации, так и за рубежом.
Использованные источники
1. Патент РФ №2491574.
2. Авторское свидетельство СССР №1583908, приоритет от 23.08.88 г., Бюл. №29 от 07.08.1990 г. (прототип).
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике - М., «Наука», 1974, 942 с.
4. А.Ф. Нерушев, М.А. Новицкий, О.Ю. Калиничева, Л.К. Кулижникова, Л.И. Милехин, Д.Е. Чечин - Динамика атмосферных характеристик в период интенсивного снегопада в центральной части ЕТР в апреле 2012 года, «Метеорология и гидрология», 2013, №2.
5. Имянитов И.М. Электрическая структура мощных конвективных облаков (Си cong.) и ее связь с движениями воздуха в облаках. - В кн.: Исследование облаков, осадков и грозового электричества. М., Гидрометеоиздат, 1961, с. 225-238.

Claims (9)

  1. Способ определения объемной плотности заряда облаков, заключающийся в том, что для упрощения определения величины объемной плотности грозоопасного заряда и расширения возможностей его определения на случай движущихся облаков по их собственному магнитному полю и на случай выпадения осадков, объемная плотность заряда определяется по величине скорости движения V, индукции его собственного магнитного поля ΔB и по геометрическим параметрам расположения центральной части объемного заряда относительно точки регистрации магнитной индукции в соответствии с формулой:
  2. Figure 00000005
  3. где ρ - объемная плотность заряда облака (Кл/м3);
  4. ΔB - магнитная индукция движущегося объемного заряда облака (Тл);
  5. V - скорость движения объемного заряда (м/с);
  6. Hh и
    Figure 00000006
    - высоты верхней и нижней границ облаков, соответственно (м);
  7. L - ширина массива движущихся облаков по линии, перпендикулярной вектору скорости (м);
  8. α - угол между вертикалью и направлением на центр объемного заряда от точки регистрации магнитной индукции (рад);
  9. μ0 - магнитная постоянная, равная 4π×10-7 (Гн/м).
RU2017111176A 2017-04-03 2017-04-03 Способ определения величины объемного заряда облаков RU2642830C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111176A RU2642830C1 (ru) 2017-04-03 2017-04-03 Способ определения величины объемного заряда облаков

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111176A RU2642830C1 (ru) 2017-04-03 2017-04-03 Способ определения величины объемного заряда облаков

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2642830C1 true RU2642830C1 (ru) 2018-01-29

Family

ID=61173306

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017111176A RU2642830C1 (ru) 2017-04-03 2017-04-03 Способ определения величины объемного заряда облаков

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2642830C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1429072A1 (ru) * 1986-07-24 1988-10-07 Киргизский Научно-Исследовательский Отдел Энергетики Способ определени параметров зар да,вовлеченного в грозовой разр д
EP0122609B1 (de) * 1983-04-18 1989-08-09 Asea Ab Verfahren und Durchführungsanordnung zur Steuerung der von einem Wolkenhöhenmessgerät ausgesandten Messenergie
SU1583908A2 (ru) * 1988-05-23 1990-08-07 Киргизский Научно-Исследовательский Отдел Энергетики Способ определени параметров зар да, вовлеченного в грозовой разр д
SU1780599A3 (ru) * 1989-03-22 1994-10-15 Центральная аэрологическая обсерватория Способ определения микроструктуры капельных облаков и туманов
RU2124820C1 (ru) * 1997-02-07 1999-01-10 Усков Николай Михайлович Устройство для изменения объемного заряда в атмосфере
JP4543044B2 (ja) * 2003-10-21 2010-09-15 サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ スィヤンティフィック（セーエヌエルエス） 降水特性を推定するための方法
WO2013184154A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Rockwell Collins, Inc. A millimeter wave radar system for and method of weather detection

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0122609B1 (de) * 1983-04-18 1989-08-09 Asea Ab Verfahren und Durchführungsanordnung zur Steuerung der von einem Wolkenhöhenmessgerät ausgesandten Messenergie
SU1429072A1 (ru) * 1986-07-24 1988-10-07 Киргизский Научно-Исследовательский Отдел Энергетики Способ определени параметров зар да,вовлеченного в грозовой разр д
SU1583908A2 (ru) * 1988-05-23 1990-08-07 Киргизский Научно-Исследовательский Отдел Энергетики Способ определени параметров зар да, вовлеченного в грозовой разр д
SU1780599A3 (ru) * 1989-03-22 1994-10-15 Центральная аэрологическая обсерватория Способ определения микроструктуры капельных облаков и туманов
RU2124820C1 (ru) * 1997-02-07 1999-01-10 Усков Николай Михайлович Устройство для изменения объемного заряда в атмосфере
JP4543044B2 (ja) * 2003-10-21 2010-09-15 サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ スィヤンティフィック（セーエヌエルエス） 降水特性を推定するための方法
WO2013184154A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Rockwell Collins, Inc. A millimeter wave radar system for and method of weather detection

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Capturing the signature of severe weather events in Australia using GPS measurements
RU2712969C2 (ru) Способ дистанционного измерения толщины льда, способ дистанционного измерения прочности льда, устройство для дистанционного измерения толщины льда, устройство для дистанционного измерения прочности льда и дистанционный измерительный модуль
Sato et al. Fine altitude resolution observations of stratospheric turbulent layers by the Arecibo 430 MHz radar
Helfricht et al. Lidar snow cover studies on glaciers in the Ötztal Alps (Austria): comparison with snow depths calculated from GPR measurements
Haas et al. Comparison of the sea-ice thickness distribution in the Lincoln Sea and adjacent Arctic Ocean in 2004 and 2005
Bange et al. Helicopter-borne flux measurements in the nocturnal boundary layer over land–a case study
Goto et al. Turbulence estimation using fast-response thermistors attached to a free-fall vertical microstructure profiler
Minchew et al. Early melt season velocity fields of Langjökull and Hofsjökull, central Iceland
Caduff et al. Continuous monitoring of snowpack displacement at high spatial and temporal resolution with terrestrial radar interferometry
Bonafoni et al. The usefulness of the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in the analysis of precipitation events
RU2642830C1 (ru) Способ определения величины объемного заряда облаков
Le Breton et al. Monitoring snowpack SWE and temperature using RFID tags as wireless sensors
Sundström et al. Field evaluation of a new method for estimation of liquid water content and snow water equivalent of wet snowpacks with GPR
Qing et al. Observation and analysis of atmospheric rainfall based on the very high frequency radar
Azevedo et al. Weather stations-assisted barometric altimeter for Android: Interpolation techniques for improved accuracy
Zheleznyak et al. Use of the Earth’s gravitational model in marine gravity measurements
RU2581395C1 (ru) Способ идентификации поверхности морских течений по ко-поляризационным спутниковым радиолокационным изображениям
RU2548120C1 (ru) Способ дистанционного определения скорости приводного ветра
Ishchuk et al. Cuboids of infrared images reduction obtained from unmanned aerial vehicles
Tse et al. Wind characteristics observed in the vicinity of tropical cyclones: An investigation of the gradient balance and super-gradient flow
RU2454651C1 (ru) Способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах
Caduff et al. Terrestrial radar interferometry for snow glide activity monitoring and its potential as precursor of wet snow avalanches
Rastorguev et al. Radiometric sensor of movement speed of vehicles
Marghany Velocity bunching model for modelling wave spectra along east coast of Malaysia
Kukko et al. Experiences of mobile mapping in environmental monitoring