23863 (Грозовая деятельность в Закамье)

Министерство образования Российской Федерации

Казанский Государственный Университет

Факультет географии и экологии

Кафедра метеорологии, климатологии и экологии атмосферы

Курсовая работа

Грозовая деятельность в Закамье

Студента 4 курса, гр.259

Химченко Д.В.

Научный руководитель доцент

Тудрий В.Д. ________

Казань 2009

Содержание

Введение

Глава 1. Грозовая деятельность

1.1 Характеристики гроз

1.2 Гроза, ее влияние на человека и народное хозяйство

1.3 Грозы и солнечная активность

1.4 Шаровая молния

Глава 2. Методы получения и обработки исходных данных

2.1 Получение исходного материала

2.2 Основные статистические характеристики

Глава 3. Статистические характеристики индексов грозовой активности

3.1 Распределение основных статистических характеристик

3.2 Анализ трендов

3.3 Анализ регрессионной зависимости числа дней с грозой от чисел Вольфа

Заключение

Литература

Приложения

Введение

Типичное развитие кучево-дождевых облаков и выпадение из них осадков связанно с мощными проявлениями атмосферного электричества, а именно с многократными электрическими разрядами в облаках или между облаками и Землей. Такие разряды искрового характера называют молниями, а сопровождающие их звуки - громом. Весь процесс, часто сопровождаемый еще и кратковременными усилениями ветра - шквалами, называется грозой.

Грозы причиняют большой урон народному хозяйству. Их исследованиям уделяют большое внимание. Например, в основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990гг. и на период до 2000 года было предусмотрено проведение крупных мероприятий. Среди них особую значимость приобрели исследования опасных для народного хозяйства явлений погоды и совершенствование методов их прогноза, в том числе гроз и связанных с ними ливней, града и шквалов. В наши дни также уделяется большое внимание проблемам, связанным с грозовой деятельностью и молниезащитой.

Грозовой деятельностью занимались многие ученные нашей и зарубежных стран. Более 200 лет назад Б. Франклином была установлена электрическая природа грозы, более 200 лет назад М.В. Ломоносовым была введена первая теория электрических процессов в грозах. Несмотря на это до сих пор нет удовлетворительной общей теории грозы.

Выбор не случайно пал на эту тему. В последнее время интерес к грозовой деятельности возрастает, что обусловлено многими факторами. Среди них: более углубленное изучение физики грозы, совершенствование прогноза гроз и способов молниезащиты и др.

Целью данной курсовой работы является изучение временных особенностей распределения и регрессионной зависимости грозовой деятельности с числами Вольфа в разные периоды и в разных районах Закамья.

Задачи курсовой работы.

Создать банк данных на технических носителях числа дней с грозой с месячной дискретизацией, как основные характеристики грозовой деятельности, и чисел Вольфа, как основной характеристики солнечной активности.

Рассчитать основные статистические характеристики грозового режима.

Найти уравнение тренда числа дней с грозой.

Найти уравнение регрессии для числа дней с грозой в Закамье и числами Вольфа.

Глава 1. Грозовая деятельность

1.1 Характеристики гроз

Основными характеристиками гроз являются: число дней с грозой и повторяемость гроз.

Грозы особенно часты над сушей в тропических широтах. Там есть районы, где 100-150 дней и более в году с грозами. На океанах в тропиках гроз гораздо меньше, примерно 10-30 дней в году. Тропические циклоны всегда сопровождаются жестокими грозами, однако сами эти возмущения наблюдаются редко.

В субтропических широтах, где преобладает высокое давление, гроз гораздо меньше: над сушей 20-50 дней с грозами в году, над морем 5-20 дней. В умеренных широтах 10-30 дней с грозами над сушей и 5-10 дней над морем. В полярных широтах грозы - единичное явление.

Убывание числа гроз от низких широт к высоким связанно с убыванием водности облаков с широтой вследствие убывания температуры.

В тропиках и субтропиках грозы чаще всего наблюдаются в дождливый период. В умеренных широтах над сушей наибольшая повторяемость гроз летом, когда сильно развивается конвекция в местных воздушных массах. Зимой грозы в умеренных широтах очень редки. Но над океаном грозы, возникающие в холодных воздушных массах, нагревающихся снизу от теплой воды, имеют максимум повторяемости зимой. На крайнем западе Европы (Британские острова, побережье Норвегии) также часты зимние грозы.

Подсчитано, что на земном шаре одновременно происходит 1800 гроз и возникает приметно 100 молний в каждую секунду. В горах грозы наблюдаются чаще, чем на равнинах.

1.2 Гроза, ее влияние на человека и народное хозяйство

Гроза принадлежит к тем явлениям природы, которые замечает самый ненаблюдательный человек. Ее опасные воздействия широко известны. О ее полезных последствиях знают меньше, хотя они играют существенную роль. В настоящее время проблема прогноза гроз и связанных с ней опасных конвективных явлений представляется наиболее актуальной и одной из труднейших в метеорологии. Главные трудности ее разрешения заключаются в дискретности распределения гроз и сложности взаимосвязи между грозами и многочисленными факторами, влияющими на их формирование. Развитие гроз связанно с развитием конвекции, которая очень изменчива во времени и в пространстве. Прогноз гроз сложен еще и потому, что кроме предсказания синоптической обстановки необходимо спрогнозировать стратификацию и влажность воздуха на высотах, толщину облачного слоя, максимальную скорость восходящего потока. Необходимо знать, как изменяется грозовая активность в результате человеческой деятельности. Влияние грозы на человека, животных, различные виды деятельности; вопросы, связанные с молниезащитой, так же являются актуальными в метеорологии.

Понимание природы грозы существенно не только для метеорологов. Изучение электрических процессов в столь гигантских - по сравнению с масштабами лабораторий - объемах позволяет установить более общие физические закономерности природы высоковольтных разрядов, разрядов в облаках аэрозолей. Тайна шаровых молний может быть раскрыта только при постижении процессов, происходящих в грозах.

По происхождению грозы делятся на внутримассовые и фронтальные.

Внутримассовые грозы наблюдаются двух типов: в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую земную поверхность, и над прогретой сушей летом (местные, или тепловые грозы). В обоих случаях возникновение грозы связанно с мощным развитием облаков конвекции, а следовательно, с сильной неустойчивостью стратификации атмосферы и с сильными вертикальными перемещениями воздуха.

Фронтальные грозы связанны главным образом с холодными фронтами, где теплый воздух вытесняется вверх продвигающимся вперед холодным воздухом. Летом над сушей они нередко связанны и с теплыми фронтами. Континентальный теплый воздух, поднимающийся летом над поверхностью теплого фронта, может оказаться очень неустойчиво стратифицированным, поэтому над поверхностью фронта может возникнуть сильная конвекция.

Так же известны одноячеечные, многоячеечные (линейные и кластерные) и сверхмногоячеечные грозы.

Одноячеечные грозы. Эти грозы еще называют грозовым импульсом. Могут образоваться при наличии сильного локального восходящего потока воздуха. Реальные одноячеечные грозы - сравнительно редки, так как даже самые слабые обычно представляют собой многоячеечную структуру.

Одноячеечные грозы скоротечны, длятся меньше получаса и не вызывают серьезных изменений погоды. Могут сопровождаются градом небольших размеров, непродолжительными, но сильными дождями, а иногда и слабыми смерчами. Такие погодные условия могут наблюдаться по всем пути прохождения грозы. Предсказать развитие такой грозы чрезвычайно трудно. Степень опасности - низкая.

Многоячеечные линейные грозы представляют собой линию гроз с явно выраженным фронтом, имеющим значительные (десятки километров) линейные размеры. Приближающуюся многоячеечную линию можно распознать по темной стене облаков, обычно покрывающей горизонт с западной стороны. Огромное число близкорасположенных восходящих и нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, но его грозовая структура резко отличается от многоячеистой кластерной грозы. Линии шквалов приносят резкую смену погоды вблизи поверхности раздела восходящих и нисходящих потоков воздуха на переднем крае грозы. Характеризуется порывистыми ветрами, возможен град величиной с шарик для гольфа и порывистый торнадо. Иногда приводит к наводнения, случается это в тех случаях, когда линия шквалов замедляет свое поступательное движение или останавливается, и грозы, перемещающиеся параллельно линии, многократно проходят через одну и ту же область.

Многоячеечные кластерные грозы. Если грозовые ячейки находятся на различных уровнях развития, грозу классифицируют как многоячеечную кластерную грозу. Многоячеечные кластерные грозы состоят из группы ячеек, перемещающих как единое целое, при этом ячейки находятся на различных уровнях грозового жизненного цикла. В начале развития многоячеечной кластерной грозы доминируют отдельные ячейки. Новые ячейки имеют тенденцию формироваться вдоль края грозы, направленного против ветра (обычно западного или юго-западного), причем зрелые ячейки расположены в центре, а рассеянные ячейки обнаруживаются вдоль подветренного края грозы (восточного или северо-восточного). Смена погоды, вызываемая многоячеечными грозами, может быть самой разнообразной. Организованные многоячеечные грозы имеют очень высокий потенциал формирования погоды, сопровождаются частыми грозовыми разрядами, градом средних размеров наводнениями и слабыми торнадо. Наиболее интенсивная смена погодных условий наблюдаются вблизи поверхности раздела восходящих потоков воздуха, которая в свою очередь расположена в тылу грозы и вблизи фронта. Неорганизованные многоячеечные грозы, являющиеся простыми конгломератами отдельных ячеек, по своим последствиям ближе к грозовым импульсам. Степень прогнозирования возможного ущерба и степень опасности для человека - средняя.

Сверхмногоячеечные грозы отличаются от всех перечисленных своей мощностью, а также наличием сильного вращения восходящих потоков воздуха (мезоциклон). Фланговая линия сверхмногоячеечной грозы ведется себя несколько иначе по сравнению с многоячеечной кластерной грозой, в которой элементы вращения обычно сливаются в основной вращающийся поток воздуха, а затем взрываются по вертикали. Для сверхмногоячеечной грозы характерно разделение ячеек грозы. Как следствие, фланговые потоки воздуха поддерживают центральный поток, а не противодействуют ему. Это достаточно редкий тип гроз, вместе с тем он наиболее опасен из-за того, что приносит максимально возможные бедствия. Характеризуется сильными дождями, крупный град, возможны наводнения.

Известны следующие действия молний: тепловые, механические, химические и электрические.

Температура молнии достигает от 8000 до 33000 градусов Цельсия, поэтому она обладает большим тепловым воздействием на окружающую среду. Только в США, например, молнии вызывают ежегодно около 10000 лесных пожаров. Однако в некоторых случаях эти пожары приносят пользу. Например, в Калифорнии частые пожары издавна очищали леса от поросли: они были незначительны и деревьям не вредны.

Причиной возникновения механических сил при ударе молнии является резкое повышение температуры, давления газов и паров, возникающих в месте прохождения тока молнии. Так, например, при ударе молнии в дерево, древесный сок, после прохождения по нему тока, переходит в состояние газа. Причем этот переход носит взрывной характер, вследствие чего ствол дерева раскалывается.

Химическое действие молнии мало и обусловлено электролизом химических элементов.

Самым опасным для живых существ является электрическое действие, так как вследствие этого действия удар молнии может привести к гибели живого существа. При ударе молнии в незащищенные или плохо защищенные здания или оборудование она приводит к гибели людей или животных в результате возникновения высокого напряжения в отдельных предметах, для этого человеку или животному достаточно коснуться их или находиться рядом с ними. Молния поражает человека даже при небольших грозах, причем каждый прямой ее удар для него обычно смертелен. После непрямого удара молнии человек обычно не погибает, но и в этом случае для сохранения его жизни необходима своевременная помощь.

Лесные пожары, поврежденные линии электропередачи и связи, пораженные самолеты и космические аппараты, горящие нефтехранилища, загубленные градом сельскохозяйственные посадки, сорванные штормовым ветром крыши, погибшие от удара молний люди и животные - это далеко не полный список последствий, связанных с грозовой ситуацией.

Ущерб, причиненный молниями только за один год по всему земному шару, оценивается миллионами долларов. В связи с этим ведутся разработки новых, более совершенных способов молниезащиты и более точного прогноза гроз, что, в свою очередь, обусловливает более глубокое изучение грозовых процессов.

1.3 Грозы и солнечная активность

Изучением солнечно-земных связей ученые занимаются давно. Они логически пришли к выводу, что недостаточно рассматривать Солнце только как источник лучистой энергии. Энергия Солнца - основной источник большинства физико-химических явлений в атмосфере, гидросфере и поверхностном слое литосферы. Естественно резкие колебания в количестве этой энергии влияют на указанные явления.

Систематизацией даннях о солнечной активности занимался цюрихский астроном Р. Вольф (R. Wolf, 1816-1893 г. г). Он определил, что, в среднем арифметическом, период максимального и минимального количества пятен - максимумы и минимумы солнцедеятельности равен одиннадцати годам [11].