23864 (Грозовая деятельность в Предкамье)

Министерство образования Российской Федерации

Казанский Государственный Университет

Факультет географии и экологии

Кафедра метеорологии, климатологии и экологии атмосферы

Грозовая деятельность в Предкамье

Курсовая работа

Студента 3 курса, гр. 259 Химченко Д.В.

Научный руководитель доцент Тудрий В.Д. ________

Казань 2007

Содержание

Введение

1. Грозовая деятельность

   1. Характеристики гроз

   2. Гроза, ее влияние на человека и народное хозяйство

   3. Грозы и солнечная активность

2. Методы получения и обработки исходных данных

   1. Получение исходного материала

   2. Основные статистические характеристики

   3. Статистические характеристики индексов грозовой активности

   4. Распределение основных статистических характеристик

   5. Анализ трендов

   6. Регрессионная зависимость 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 Предкамья.

Задачи курсовой работы

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

2. Рассчитать основные статистические характеристики грозового режима.

3. Найти уравнение тренда числа дней с грозой.

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

Глава 1.Грозовая деятельность

1.1 Характеристики гроз

Основными характеристикамиёёё 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.

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 одинадцати годам[11].

Нарастание пятнообразовательного процесса от точки минимума до максимума происходит скачками с резкими подъемами и падениями, сдвигами и перебоями. Скачки постоянно растут и в момент максимума достигают своих наивысших значений. Эти скачки в появлении и исчезновении пятен, по-видимому, и являются виновниками многих эффектов, которые развиваются на Земле.

Наиболее показательной характеристикой интенсивности активности Солнца, предложенной Рудольфом Вольфом в 1849 году, являются числа Вольфа или, так называемые, цюрихские числа солнечных пятен. Вычисляется по формуле W=k*(f+10g), где f - количество наблюдаемых на диске Солнца пятен, g - количество образованных ими групп, k - нормировочный коэффициент, выводимый для каждого наблюдателя и телескопа, чтобы иметь возможность совместно использовать найденные ими относительные числа Вольфа. При подсчете f каждое ядро ("тень"), отделенное от соседнего ядра полутенью, а также каждая пора (маленькое пятно без полутени) считаются за пятна. При подсчете g отдельное пятно и даже отдельная пора считаются за группу.

Из этой формулы видно, что индекс Вольфа, есть суммарный индекс, дающий общую характеристику пятнообразовательной деятельности Солнца. Он непосредственно не учитывает качественную сторону солнечной активности, т.е. мощность пятен и их устойчивость во времени.

Абсолютное число Вольфа, т.е. подсчитанное конкретным наблюдателем, определяется суммой произведения числа десять на общее число групп солнечных пятен, при этом каждое отдельное пятно считается за группу, и полного количества, как одиночных, так и входящих в группы пятен. Относительное число Вольфа определяется путем умножения абсолютного числа Вольфа на нормировочный коэффициент, который определяется для каждого наблюдателя и его телескопа.

Восстановленная по историческим источникам, начиная с середины XVI века, когда начались подсчеты количества солнечных пятен, информация позволила получить усредненные за каждый прошедший месяц числа Вольфа. Это дало возможность определить характеристики циклов солнечной активности начиная с того времени и вплоть до наших дней.

Периодическая деятельность Солнца оказывает весьма заметное влияние на число и, по-видимому, на интенсивность гроз. Последние представляют собою видимые электрические разряды в атмосфере, сопровождающиеся обычно громом. Молния соответствует искровому разряду электростатической машины. Образование грозы связано с конденсацией водяных. паров в атмосфере. Всплывающие вверх массы воздуха адиабатически охлаждаются, и это охлаждение происходит часто до температуры ниже точки насыщения. Поэтому конденсация паров может наступить внезапно, образуются капли, создавая облако. С другой стороны, для конденсации паров необходимо присутствие в атмосфере ядер или центров конденсации, которыми, прежде всего, могут служить частички пыли.

Мы видели выше, что количество пыли в верхних слоях воздуха отчасти может быть обусловлено степенью напряжения пятнообразовательного процесса на Солнце. Кроме того, в периоды прохождения пятен по диску Солнца количество ультрафиолетового излучения Солнца также возрастает. Это излучение ионизирует воздух, и ионы становятся также ядрами конденсации.

Затем следуют электрические процессы в водяных каплях, которые приобретают электрический заряд. Одною из причин, обусловливающих эти заряды, является адсорбция водяными каплями легких ионов воздуха. Однако значение этой адсорбции второстепенное и очень незначительное. Замечено также, что отдельные капли под влиянием сильного электрического поля сливаются в струю. Следовательно, колебания в напряженности поля и перемена его знака могут оказать на капли известное влияние. Вероятно, таким путем образуются сильно заряженные капли во время грозы. Сильное электрическое поле способствует каплям также заряжаться электричеством.
Вопрос о периодичности гроз был поднят в западной литературе еще в 80-х годах прошлого века. Многие исследователи посвятили свои труды выяснению этого вопроса, как например Зенгер(Zenger), Красснер (Krassner), Бецольд (Bezold), Риддер (Ridder) и др. Так, Бецольд указывал на 11-дневную периодичность гроз, а затем из обработки грозовых явлений для Южной Германии за 1800-1887 гг. получил период в 25,84 суток. В 1900г. Риддер нашел два периода для повторяемости гроз в Ледеберге за 1891-1894гг., а именно: в 27,5 и 33 суток. Первый из этих периодов близок к периоду обращения Солнца вокруг оси и почти совпадает с лунным тропическим периодом (27,3). В то же время были сделаны попытки сопоставить периодичность гроз с пятнообразовательным процессом. Одиннадцатилетний период в количестве гроз был обнаружен Гессом для Швейцарии.

В России Д. О. Святский получил на основании своих исследований периодичности гроз таблицы и графики, из которых хорошо видны как периоды повторяемости так называемых грозовых волн для обширной Европейской России, первый - в 24 - 26, второй - в 26 - 28 суток, так и связь грозовых явлений с солнечной пятнообразовательной деятельностью. Полученные периоды оказались настолько реальны, что явилась возможность намечать на несколько летних месяцев вперед даты прохождения таких "грозовых волн". Ошибка не достигает более чем 1 - 2 суток, в большинстве получается полное совпадение.
Обработка наблюдений грозовой деятельности, произведенная в последние годы Фаасом, показывает, что для всей территории европейской части СССР наиболее часто и ежегодно встречаются периоды в 26 и 13 (полупериод) суток. Первый представляет собою опять-таки значение, очень близкое к обращению Солнца вокруг оси. Исследования о зависимости грозовых явлений в Москве от солнцедеятельности производились за последние годы А. П. Моисеевым, который, тщательно наблюдая за пятнообразованием и грозами с 1915 по 1926 г., пришел к заключению, что число и интенсивность гроз в среднем стоит в прямом соответствии с площадью пятен, проходящих через центральный меридиан Солнца. Грозы учащались и усиливались при увеличении числа пятен на Солнце и наибольшего напряжения достигали после прохождения, крупных групп пятен через середину диска Солнца. Таким образом, многолетний ход кривой частоты гроз и ход кривой числа пятен совпадают достаточно хорошо. Затем Моисеев исследовал другой интересный факт, а именно суточное распределение гроз по часам. Первый суточный максимум наступает в 12 - 13 часов дня местного времени. Затем с 14 - 15 следует небольшое понижение, в 15-16 часов идет главный максимум, и далее кривая понижается. По всему вероятно, данные явления стоят в связи как с прямым излучением Солнца и ионизацией воздуха, так и с ходом температуры. Из исследования Моисеева видно, что в моменты максимума солнечной деятельности, а также около момента минимума грозовая деятельность наиболее интенсивна, причем в моменты максимума гораздо резче выражена. Это несколько противоречит положению, поддерживаемому Бецольдом и Гессом, что минимумы частоты гроз совпадают с максимумами солнечной деятельности, Фаас в своей обработке гроз за 1996 г. указывает, что им было обращено особое внимание на то, что не увеличивается ли грозовая деятельность при прохождении крупных пятен через центральный меридиан Солнца. Для 1926 г. никаких положительных результатов получено не было, однако в I923 г. наблюдалась очень тесная связь явлений. Это может быть объяснено тем, что в годы максимума солнечные пятна группируются ближе к экватору и проходят вблизи видимого центра солнечного диска. При таком положении их возмущающее влияние на Землю следует считать наибольшим. Многие исследователи старались найти другие периоды гроз, но колебания грозовой деятельности по имеющимся в нашем распоряжении материалам слишком еще труднообозримы и не дают возможности установить какие-либо общие закономерности. Во всяком случае вопрос этот с течением времени привлекает внимание все большегоко личества исследователей.
Число гроз и их интенсивность известным образом отражаются и на человеке и его имуществе. Так, из статистических данных, приводимых еще Будэном (Budin), видно, что максимумы смертных случаев от удара молнии падают на годы максимального напряжения в деятельности Солнца, а минимумы их - на годы минимума пятен. В то же время русский лесовод Тюрин отмечает, что, согласно его исследованиям, произведенным на массовом материале, пожары в брянском лесном массиве принимали стихийный характер в 1872, 1860, 1852, 183б, 1810, 1797, 1776 и 1753 гг. В северных лесах также может быть отмечена периодичность, равная в среднем 20 годам, причем даты лесных пожаров на севере во многих случаях совпадают с указанными датами, что показывает на влияние одной и той же причины - засушливые эпохи, некоторые из них падают на годы максимумов солнцедеятельности. Можно отметить, что в суточном ходе грозовой деятельности и в суточном ходе числа пожаров от молнии наблюдается также хорошая зависимость.

Глава 2.Методы получения и обработки исходных данных