Способ определения плотности разрядов молнии в землю на территории умеренных широт северного полушария земли
Владельцы патента RU 2332693:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при выборе оптимальных молниезащитных мероприятий на территории умеренных широт северного полушария Земли, на которой отсутствуют наземные пункты сети наблюдений. Сущность: определяют плотность разрядов молнии в землю на заданной территории умеренных широт северного полушария Земли с помощью наземных пунктов сети наблюдений. Определяют из космоса координаты и время разрядов молний над территорией умеренных широт северного полушария Земли с подобным ландшафтом. Находят для этой территории соотношение количества разрядов молний в землю, зарегистрированных наземными пунктами сети наблюдений, и разрядов молний, зарегистрированных из космоса. По полученному соотношению определяют плотность разрядов молнии в землю на заданной территории умеренных широт северного полушария Земли. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 4 ил.
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при выборе оптимальных молниезащитных мероприятий для определения плотности разрядов молний в землю на любой территории умеренных широт северного полушария Земли, на которой отсутствуют наземные пункты сети наблюдений.
Известен способ непосредственных измерений годовой плотности разрядов молний в землю (Anderson R.B. Lightning Research in Southern Africa. Trans. SAIEE, 1980, Vol.71, №4, p.75-79), который включает в себя регистрацию количества грозовых разрядов с помощью сети счетчиков молний в пунктах сети наблюдений за определенный период времени, обработку результатов регистрации с определением годовой плотности разрядов молний в землю и построение соответствующей карты.
Недостатком этого способа является его низкая производительность, т.к. за целый год может быть получено только одно значение годовой плотности разрядов молний в землю на один счетчик молний. Для накопления статистически надежных данных требуется длительный период наблюдений (десятки лет). Кроме того, известный способ является трудоемким, т.к. связан с обязательной установкой большого количества счетчиков на интересующей территории.
Сократить число пунктов сети наблюдений и сроков накопления статистически надежных данных позволяет выбранный нами за прототип способ определения распределения годовой плотности разрядов молний в землю на исследуемой территории (А.с. РФ №1812537, МПК 5 G01W 1/16, опубл. 30.04.1993 г.), который включает в себя определение плотности разрядов молний в землю по результатам измерений количества разрядов молний в землю в пунктах сети наблюдений за измеренный период времени, обработку результатов измерений с определением годовой плотности разрядов молний в землю в пунктах сети наблюдений и построением карты плотности разрядов молний в землю. При этом на исследуемой территории выделяют районы с однородным ландшафтом, измерение количества разрядов молний землю за измеренный период проводят на пунктах сети наблюдений, расположенных в репрезентативных для каждого выделенного района точках, а при обработке результатов измерений дополнительно определяют вероятность количества дней с грозой для каждого из пунктов сети наблюдений за период регистрации и распределение удельной плотности разрядов молний в землю за один грозовой день для каждого выделенного района. Значения годовой плотности разрядов молний в землю для каждого пункта наблюдений определяют по методу Монте-Карло с учетом полученного распределения удельной плотности разрядов молний в землю за один грозовой день и вероятности годового числа дней с грозой.
Основным недостатком этого способа является отсутствие возможности определения плотности разрядов молний в землю на территориях, на которых отсутствуют пункты сети наблюдений.
Технической задачей предложенного способа является определения плотности разрядов молний в землю на какой-либо территории умеренных широт северного полушария Земли, на которой отсутствуют пункты сети наблюдений.
Техническая задача достигается тем, что в способе определения плотности разрядов молнии в землю на территории умеренных широт северного полушария Земли, включающем определение плотности разрядов молнии в землю на заданной территории умеренных широт северного полушария Земли с помощью наземных пунктов сети наблюдений, согласно предложенному решению из космоса определяют координаты и время разрядов молний над территорией умеренных широт северного полушария Земли с подобным ландшафтом, находят для этой территории соотношение количества разрядов молний в землю, зарегистрированных наземными пунктами сети наблюдений, и разрядов молний, зарегистрированных из космоса, затем по полученному соотношению определяют плотность разрядов молнии в землю на заданной территории умеренных широт северного полушария Земли.
Для территорий Земли, расположенных не в умеренных широтах Северного полушария, достижение указанной технической задачи предложенным способом проблематично, т.к. для них характерны другие закономерности грозовых явлений (например, общее количество молний в тропиках больше в десятки и сотни раз, а соотношения между количеством всех разрядов молнии и разрядами в землю тоже другое).
На фиг.1 представлена южная часть Германии, на которой осуществляются все виды наблюдений за молниями. На фиг.2 приведено распределение плотности разрядов молнии в землю на территории Германии, полученных по предложенному способу (плотность разрядов молнии в землю окрашены в темные тона пропорционально плотности разрядов молний в землю); на фиг.3 - распределение плотности разрядов молнии в землю, полученных с помощью наземных пунктов сети наблюдений; на фиг.4 - распределение плотности разрядов молнии в землю на территории Томской области, полученных по предложенному способу.
Способ осуществляется следующим образом. Выбирается территория умеренных широт северного полушария Земли, где осуществляются и наземная регистрация плотности разрядов молний в землю, и наблюдения из космоса, причем из космоса регистрируется количество всех молний над любой территорией без их разделения на межоблачные, внутриоблачные или на разряды типа облако-земля, которые особенно опасны для хозяйственных объектов. Соотношение количества видов разрядов в разных регионах различно и зависит от множества факторов: рельефа, климата и пр., а в целом, от географического ландшафта как понятия, объединяющего все эти факторы.
Территории умеренных широт северного полушария Земли с похожим географическим ландшафтом, где действуют наземные пункты сети наблюдений, делят на ряд трапеций со стороной 1° (по широте) ×1°(по долготе). Таким образом, на каждый из выделенных ландшафтов придется множество трапеций со стороной 1°×1°. Для каждой из этих трапеций определяют характерную плотность разрядов молнии в землю, зарегистрированную действующими наземными пунктами сети наблюдений. Для каждой из этих же трапеций определяют среднее значение количества всех молний, зарегистрированных из космоса (искусственными спутниками Земли). Для каждого из выделенных ландшафтов находят соотношение количества разрядов молнии в землю, зарегистрированных действующими наземными пунктами сети наблюдений, и количеством всех молний, зарегистрированных из космоса. Соотношение строится в виде обычного уравнения линейной регрессии типа:
| N разр/кв.км в год=aN спутн.+б | (1), |
где N разр/кв.кмв год - оценочная плотность разрядов молний в землю (количество разрядов, приходящихся на 1 кв. км в год), а и б - коэффициенты, различающиеся для каждого из выделенных ландшафтов. Выбирают ландшафт, подобный тому, что встречается на необходимой нам территории. По уравнению линейной регрессии рассчитывают значения плотности разрядов молнии в землю для выбранного ландшафта. Строят карты пространственного распределения плотности разрядов молний в землю на искомой территории.
Предлагаемым способом была определена плотность разрядов молнии в землю на территории южной части Германии (территории с высотами от 300 до 1000 м над уровнем моря) и Томской области.
Пример 1. Определение плотности разрядов молнии в землю для района южной части Германии, представляющего собой возвышенности с высотой от 300 до 1000 м над уровнем моря.
В качестве уже изученной территории нами была выбрана территория, где действуют наземные пункты сети наблюдений за молниями и для которых есть значения о количестве разрядов молний, зарегистрированных из космоса, - южная часть Германии, ограниченная 46.5-50° с.ш. и 6-14° в.д.
Выбранную территорию делили на ряд трапеций со стороной 1° (по широте) ×1° (по долготе). Всего на территории было выделено 28 трапеций, которые были разделены на три группы в соответствии с рельефом: равнины (с высотой не более 300 метров над уровнем моря), горы (с высотами более 1000 метров над уровнем моря) и возвышенности (от 300 до 1000 м над уровнем моря). Из них к равнинной территории относятся трапеции с номерами: 1, 2, 5, 6, 11, 12, 13, 19. Трапеции №15 и 23, 26, 27 относятся к горной территории. Трапеции с номерами 3, 4, 7, 8, 9, 10, 14, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 28 тоже относятся к холмистым территориям.
Рельеф территории, на которой с помощью предложенного способа определяли плотность разрядов молнии в землю, представляет собой возвышенности с высотой от 300 до 1000 м над уровнем моря (трапеции №9, 10, 16, 17, 18), затем выбрали на территории Германии аналогичные по рельефу площади (№3, 4, 7, 8, 14, 20, 21, 22, 24, 25, 28). Данные о распределении плотности разрядов молнии в землю были получены с помощью наземной многопунктовой разностно-дальномерной системы местоопределения молний LPATS (Lightning Position And Tracking System) и предоставлены компанией Siemens AG, так же для каждой из этих же трапеций определили среднее значение количества всех молний, зарегистрированных из космоса. Исходными данными о количестве молний, наблюдаемых из космоса, служили ежедневные данные наблюдений со спутника Microlab-1, доступные благодаря проекту NASA. Затем произвели перерасчет значений количества разрядов молнии в плотность разрядов молнии в землю на 1 км2 за год. Для этого количество разрядов в каждой трапеции разделили на площадь трапеции и, применяя регрессионный анализ для определения соотношений между плотностью разрядов молний в землю, полученных с помощью наземных пунктов сети наблюдений, и количеством молний, зарегистрированных из космоса, получили уравнение:
| N оценочное=358,5 N спут+0,74 | (1) |
По уравнению 1 рассчитали значения плотности разрядов молний в землю для выбранной территории, расположенной внутри трапеций №9, 10, 16, 17, 18.
Значение N оценочное составило для искомых трапеций 1-3 разряда на 1 км в год. Анализ распределения плотности разрядов на землю, полученных по предложенному способу (фиг.2) и с помощью наземных пунктов сети наблюдений (фиг.3), показал, что коэффициент корреляции между значениями, зарегистрированными с помощью наземной сети (представлено на фиг.3) и полученными в результате расчета, высок и статистически значим с вероятностью не менее 95%.
Пример 2. Определение значения распределения плотности разрядов молнии в землю для территории Томской области.
Территория Томской области равнинная, а территория Южной Германии, подобная ей по рельефу, ограничена трапециями №1, 2, 5, 6, 11, 12, 13, 19 (фиг.1).
Для территории Томской области количество всех разрядов молнии для сетки с шагом в 1° по широте и 1° долготе регистрировали только из космоса. Для расчетов плотности разрядов молний в землю использовали соотношения, полученные для трапеций 1, 2, 5, 6, 11, 12, 13, 19. и получили линейное уравнение регрессии:
N оцен=244,58 N спут+0,46 (2)
Полученное соотношение для этой равнинной территории Германии применили для территории Томской области. Для Томской области данные о количестве разрядов молний, зарегистрированных из космоса для всех трапеций с шагом в 1°, пересчитали в значения плотности разрядов молний на 1 км2 за год и полученные значения подставляли в уравнение (2). В результате была получена плотность разрядов молнии в землю для всех трапеций с шагом в 1° и построена карта-схема плотности разрядов молнии в землю для всей территории Томской области (фиг.4).
Результаты расчетов плотности разрядов молнии в землю сравнили с картиной пространственного распределения плотности разрядов молнии в землю, полученной ранее на основе способа, описанного в авторском свидетельстве SU 1812537 А1 (см. прилагаемую к описанному изобретению карту). Согласно этому способу оценка плотности по всей Томской области производилась в период с 1985 г.по 1987 г. только по 10 счетчикам, т.е. в среднем по одному счетчику на участок площадью 32000 км. Спутниковая информация более подробна, так как осреднение плотности производилось для трапеции в 1° по широте и долготе, т.е. в среднем для участков с площадью 6400 км2.
В результате сравнения оценочных значений с инструментальными результатами с помощью критерия Пирсона (χ2) получили, что различия не существенные и обусловлены случайностями.
Таким образом, для определения плотности разрядов молний в землю на территории можно построить оценочную карту пространственного распределения значений плотности разрядов молнии в землю для любой территории и практически в любом масштабе, где нет наземных пунктов сети наблюдений, для чего достаточно иметь данные наземных пунктов сети наблюдений на другой, подобной по ландшафту территории и разрядов молний, зарегистрированных из космоса. При этом следует иметь в виду, что из космоса регистрируются все разряды молнии, без выделения молний в землю.
Способ определения плотности разрядов молнии в землю на территории умеренных широт северного полушария Земли, включающий определение плотности разрядов молнии в землю на заданной территории умеренных широт северного полушария Земли с помощью наземных пунктов сети наблюдений, отличающийся тем, что из космоса определяют координаты и время разрядов молний над территорией умеренных широт северного полушария Земли с подобным ландшафтом, находят для этой территории соотношение количества разрядов молний в землю, зарегистрированных наземными пунктами сети наблюдений, и разрядов молний, зарегистрированных из космоса, затем по полученному соотношению определяют плотность разрядов молнии в землю на заданной территории умеренных широт северного полушария Земли.
