Пространственно-временные характеристики грозовой активности в северном регионе Азии

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цели исследования и задачи, приводятся основные защищаемые
положения.
Глава 1 посвящена обзору стандартных представлений основных
параметров грозовой активности, а также результатов исследований в
интересуемом регионе северо-восточной Азии и северной Азии. Наблюдаемая
инструментально (в основном, метеорологическими радиолокаторами
сверхвысокочастотного диапазона и высокочастотными радиофизическими
методами [12, 13]) и моделируемая структура заряженного грозового облака и
потенциальных областей в облаке, откуда развивается лидер и возвратный удар,
позволяет анализировать микрофизические процессы, происходящие в облаке
при разряде. Результаты наблюдений используются в разработке моделей,
частично предсказывающих место появления молниевого разряда. Для
подтверждения гипотез и развития моделей существует необходимость
накопления экспериментальной базы данных, однако такие системы являются
дорогостоящими для регистрации в регионах с различными условиями, что
приводит к поиску альтернативных методов оценки. Показаны структура разряда
молнии «облако-земля» (ОЗ) и излучаемые очень низкочастотные
радиоимпульсы от каждой стадии разряда, которые могут влиять на качество
параметров, выводимых автоматической регистрацией ОНЧ-радиоизлучения, и
распознавания стадий. Так как основными системами детектирования молнии
типа «облако-земля» детектируются чаще по сравнению с молниями другого типа
и в результате превалируют количественно, возникает необходимость оценки
зависимости соотношения частоты молний типа «облако-земля» и «облако-
облако»/«межоблачный» (ОО) от региона пункта наблюдений, а в совокупности
от широты. В течение последних нескольких десятилетий имеется
предположение о том, что относительное количество межоблачных молний
понижается при повышении широты (наблюдения проводились до средних
широт), что актуально для настоящего исследования на территориях выше 50°
с.ш. В качестве наиболее доступного метода инструментальных наблюдений
грозовой активности повсеместно используются радиофизические методы.
Регистрация оптическими детекторами на борту космических аппаратов в
рассматриваемом регионе не является приоритетным методом в связи с тем, что
большинство длительных современных космических программ не охватывает
территорию северной части Азии. Таким образом, в последнем разделе главы 1
обосновывается выбор метода регистрации объекта исследования.
В главе 2 описаны использованные в исследовании методы
инструментального наблюдения грозовой активности. Согласно выводам главы 1
оптимальным для настоящих задач методом является регистрация естественного
радиоизлучения молний в очень низкочастотном диапазоне. В летний период
была организована кратковременная регистрация естественного ОНЧ-излучения
синхронно на трех мобильных пунктах наблюдения без применения сжатия
данных. Полученные реализации были использованы для валидации разностно-
временного метода определения места удара молнии (описание не приводится в
рамках текущего исследования) и идентификации импульсов разных стадий
грозового разряда на расстоянии, сравнимом с половиной длины волны. На таком
расстоянии, в основном, детектируется главная стадия разряда с излучением
наибольшей энергии в ОНЧ диапазоне – возвратный удар, а также в зависимости
от расстояния и тока разряда в реализациях присутствовали импульсы стадии
лидера, предварительного пробоя.
Таким образом, были получены статистические характеристики
возвратных ударов повторных разрядов многокомпонентных молний, которые
соответствовали значениям параметров, наблюдаемых в других регионах мира.
Отмечается частая встречаемость определенных последовательностей магнитуд
сигналов повторных разрядов, которые определяются переносимым зарядом по
молниевому каналу (рис. 1). Установлено основное (33%) изменение амплитуд
радиосигналов от повторных возвратных ударов многокомпонентных молний,
при котором амплитуды сигналов повторных разрядов после первого
максимального возрастают до второго максимума, не превышающего амплитуду
первого, и снова снижаются, и три варианта основного изменения (29,4%; 17,7%;
7,8% случаев).
Многолетние инструментальные наблюдения грозовой активности
основаны на том же принципе, как описано выше, однако вместо записи
реализаций естественного электромагнитного шума, требующей большого
объема памяти устройства хранения данных, ведется запись автоматически
определяемых параметров радиоимпульсов. В работе использованы данные
регистрации с помощью однопунктовых грозопеленгаторов производства Boltek
Corporation(Канада),однопунктовогогрозопеленгатора-дальномера
производства ИКФИА СО РАН, данных многопунктовой большебазовой
мировой системы грозолокации World wide lightning location network (WWLLN).

Рисунок 1 – Предполагаемые типы изменения магнитуд сигналов повторных
разрядов многокомпонентной молнии

Конструкция, общие принципы работы и свойства выходных данных
приборов приводятся в разделе 2.2. К анализу локальной грозовой активности
также привлекались данные электростатических флюксметров, расположенных в
зоне г. Якутска. Для локальных наблюдений используются более высокие по
эффективности детектирования грозовых разрядов малой мощности
однопунктовые системы, которые с достаточной точностью определяют
направление на грозу и время ее развития. Такие системы со временем не
видоизменяются, что дает возможность анализировать временные изменения
грозовой активности на рассматриваемой площади. Однако точность
определения места удара грозовых разрядов однопунктовых систем значительно
уступает точности многопунктовых систем. Также по причине технических
ограничений однопунктовые системы не позволяют регистрировать грозовые
разряды в непосредственной близости от приемного тракта. Этот недостаток
компенсируется результатами измерений возмущения квази-электростатического
поля с помощью флюксметра в непосредственной близости от установки.
Сравнительный анализ показаний систем регистраций подтвердил единообразие
полученных многолетних вариаций грозовой активности и выявил несколько
положительный тренд показаний многопунктовой системы. Таким образом
используемая экспериментальная база позволяет вести комплексные
исследованияэлектромагнитныхвозмущенийотносительномощных
естественных источников.
Глава 3 представляет результаты многолетних наблюдений локальной
грозовой активности в северо-восточной части Азии (56–74° с.ш., 105–160° в.д.),
в основном на территории Якутии (раздел 3.1), а также обобщенные усредненные
параметры грозовой активности в северной части Азии (40–80° с.ш., 60–180° в.д.)
(раздел 3.2).
Установлено, что межгодовое количество молний в Якутии за 2009–
2019 гг. возросло в ~2 раза (на 1,3 × 104 разрядов/год по данным WWLLN).
Изменение количества молний в Якутии коррелирует с коэффициентом ~0,7 с
грозовой активностью на всей территории северной Азии.
Установлено, что максимум сезонного хода грозовой активности в Якутии
в 1999–2007 гг. приходился на июль. В 2008–2019 гг. максимум из года в год
смещается по сезону с середины июня (ближе к началу сезона в мае) до начала
августа (ближе к завершению сезона в сентябре) и обратно.
Для территории центральной Якутии получена оценка доли молний типа
«облако-земля», которая необходима в оценке числа ударов в землю при
регистрации приборами, не разделяющими разряды по типам. В течение сезона
доля ОЗ молний флуктуирует около значения 50±10%. Однако с учетом
особенностей радиоприемного тракта реальная доля ОЗ молний ожидается ниже.
Проведен анализ вариаций доли ОЗ и отрицательных ОЗ молний в разных
временных срезах. В 2015 г. наблюдался спад на 10–15% в вариациях годового
значения доли отрицательных ОЗ молний. Отмечается различная картина
суточных вариаций доли отрицательных ОЗ разрядов при рассмотрении
отдельных грозовых событий средней и большой мощности (по количеству
молний за сутки). В центральной Якутии выявлено, что грозы, развивающиеся с
запада на восток более интенсивны, чем при направлении с востока на запад. В
40–60% случаев во время грозы длительностью более 1 часа частота
положительных молний типа «облако-земля» повышается до ~2 раз в течение 1
часа, следующего после стадии максимальной молниевой активности.
По вариациям приземного электростатического поля были рассмотрены
возмущения от грозовых облаков и молний, резко меняющих напряженность
вертикальной электрической компоненты. По произведенной данным методом
оценке, плотность наземных разрядов на территории города в три раза
превосходит плотность по территории до 480 км вокруг города.
В пространственном распределении количества грозовых разрядов
выделяются две крупномасштабные области с повышенной вероятностью
возникновения молний в восточном и западном регионах северной Азии,
находящихся на Западно-Сибирской равнине и в долине рек Амур и Сунгари.
Области отличаются повышенной плотностью молний (более чем в 10 раз) по
сравнению с окружающими территориями. Для континентальной территории
азиатской части России представлено аналитическое выражение для оценки
средней плотности молний по географическим координатам (соответствие с
экспериментальными данными – около 80%) (рис. 2). При этом невязки,
выраженные дополнительной зависимостью от высоты рельефа, составили
только 1%.
Средняя плотность грозовых разрядов представлена зависимостью от двух
переменных:
− ( ) 2
( , ) = ( ( ) ∗ exp (− () ) + (−0,03) ∗ + 2,2),(1)
( )
где φ и  – географические широта и долгота соответственно, p(φ,) – средняя
плотность молний (грозовой разряд/км2 месяц),
−70 2 −129 2
( ) = 3,2 ∗ exp (− () ) + 3,9 ∗ exp (− () ),(2)
32,68,7
( ) = −0,1 ∗ + 64,6 или ( ) = −0,1 ∗ + 63,7 + 10,9 ∗
−112,8 2 −117,9 2
exp (− () ) − 10,9 ∗ (− () ),
9,710,3
−76,8 2 −115,.9 2
( ) = 8,2 ∗ exp (− () ) + 11,5 ∗ exp (− () ) + 18,4 ∗
22,911,3
−168,1 2
exp (− () ).
30,3
Рисунок 2 – а) Средняя плотность молний по WWLLN (летние сезоны 2009–
2014 гг.); плотность, рассчитанная б) как геометрическое среднее зависимостей
средней плотности молний от широты и долготы, в) по формуле (1).

Выделенные регионы повышенной плотности молний условно обозначены
нами как «восточный» и «западный» и ассоциируются с регионами, в которых
грозовая активность формируется взаимно мало связанными процессами
атмосферной циркуляции. В западном регионе циклоническая деятельность
характеризуется активизацией в рассматриваемый период местного
формирования барических образований и движением воздушных масс с западной
компонентой [14, 15]. Грозовая активность в восточном регионе, в основном,
обусловлена летним внетропическим муссоном под влиянием центра действия
атмосферы над северо-западной частью Тихого океана и выходом южных
циклонов [16].
В главе 4 представлен анализ межгодовых изменений пространственного
распределения плотности грозовых разрядов в северной Азии и их сопоставление
с вариациями средней температуры воздуха и изменениями атмосферной
циркуляции в регионе.
В межгодовом изменении среднего за сезон долготного распределения
количествамолнийвыделяютсяквази-колебательныефазы:смена
доминирования грозовой активности в одном из регионов на сравнительно
равномерный между регионами уровень активности из года в год. Долготный ход,
аппроксимируемый суммой трех гауссовых функций и линейной функции (3),
демонстрирует различие в коэффициентах (i=1-3) в ~2 раза при усреднении
долготных ходов в двух фазах:
− 2
( ) = ∑3 =1 ( ∙ exp (− () )) + 4 ∙ + 4 , где  – долгота. (3)

Таким образом, в представленное в разделе 3.3. аналитическое выражение
можно внести параметр, соответствующий году наблюдения. Зависимость от года
(t) предложено ввести в определение пиковых значений плотности молний по
долготе во все параметры формулы (2) в виде рядов Фурье: ( ) = 0 +
∑ =1( cos( ) + sin⁡( )).
Анализ ежегодного изменения пространственного распределения
суммарной плотности молний в 2009–2019 гг. с помощью предложенного
аналитического выражения показывает вероятность наличия более
высокочастотных колебаний вариаций, но с меньшей магнитудой, в восточном
регионе повышенной плотности молний по сравнению с западным регионом. При
этом грозовая активность в восточном регионе имела более устойчивое долготное
положение по сравнению с грозовой активностью обширного западного региона.
По такой оценке, смещение областей повышенной плотности молний по долготе
из года в год происходит в пределах 10 градусов для восточной области и более
30 градусов для западной. Для подтверждения полученных колебаний требуются
дальнейшие инструментальные наблюдения.
Выделенные межгодовые вариации значений пика плотности хорошо
соотносятся с интегральной оценкой – суммарной ежегодной плотностью на
территориях с условными границами: западный регион – 47–62° с.ш., 60–90° в.д.,
восточный – 40–55° с.ш., 110–140° в.д. (рис. 3). Также в некоторые годы
выделяется третий небольшой регион повышенной плотности молний со сложной
циркуляцией [17, 18], условно обозначенный нами как центральный – 45–60° с.ш.,
90–110° в.д.

Рисунок 3 – Суммарное число молний в рассматриваемых регионах, отнесенное
к суммарному по северной Азии числу молний

Таким образом, считаем достаточным проведение анализа упрощенных
интегральных характеристик грозовой активности в трех областях повышенной
плотности молний – суммарных по условным площадям плотностей молний за
год. Выявлено смещение из года в год сезонного пика грозовой активности с
начала лета к его середине и назад в восточном и западном регионах, что также
просматривается и в соотношении сглаженных сезонных ходов суммарной
плотности, полученных дискретным вейвлетным разложением дискретной
функцией Мейера до 4–5 уровня. В спектрах сезонных вариаций выделяются
периоды в 4, 7, 14, 25 дней, которые имеют более выраженный характер для
грозовой активности в окрестности российских городов.
В разделе 4.2 приведены результаты сопоставления типов атмосферной
циркуляцииснаблюдаемымивариациямигрозовойактивности,
представленными интегральными параметрами. Вариации грозовой активности
коррелировали с медианным значением усредненной температуры воздуха на
уровне 850 гПа и на приземном уровне, при этом взаимное несоответствие
показывали их многолетние тренды, а также максимумы в западном регионе в
период с 2009 по 2017 гг. Грозовая активность в северной Азии слабо значимо
коррелировала со стандартными климатическими индексами и индексами
аномалий атмосферной циркуляции, характеризующими основные глобальные
центры действия атмосферы. Для описания крупномасштабной атмосферной
циркуляции конкретно в интересуемом регионе использовался открытый архив
ежедневных данных по типизации Дзердзеевского Б.Л. [11]. Интенсивность
(количество молний) возникавшей грозовой активности так же слабо
соответствовала наблюдаемому типу циркуляции, однако были выявлены
основные элементарные циркуляционные механизмы (ЭЦМ), при которых
наиболее часто наблюдались интенсивные грозы. Выделенные ЭЦМ, в основном,
относились к северному меридиональному типу, при котором часто возникают
блокирующие антициклоны в северном полушарии. Для территории Якутии
общая черта ЭЦМ, соответствующих интенсивным грозам, – движение
циклонических барических образований с юго-запада Якутии, что также
подтверждается относительно высокой частотностью ветров данного
направления, получаемых усреднением результатов реанализа ERA-Interim.
Оценивая частоту блокирований на интересуемых долготах согласно
методике работ [17] на основе реанализа ERA-Interim, выявлено увеличение
количества молний на фронтах положительных аномалий температуры, которые
были вызваны развитием системы атмосферного блокирования. Кроме того,
отмечено, что суточное количество молний снижалось в дни установления
атмосферного блокирования и повышалось на следующий день после
прекращения блокирования. Интенсивность грозы, по-видимому, не зависит от
продолжительности атмосферного блокирования. Индекс атмосферного
блокирования был рассчитан для двух узких областей 65–75° в.д. и 120–130° в.д.,
которые ассоциировались с пиками плотности молний в северной Азии. Частота
блокирования в июле в западном регионе коррелировала с вариациями
количества молний: коэффициент линейной корреляции составил 0,6, а
коэффициент корреляции для значений годовых приращений – 0,9.
Наблюдаемое поведение качелеобразных колебаний между восточной и
западной частями северной Азии, обнаруженное в грозовой активности, а ранее и
в количестве осадков [17, 19], предлагается связывать с атмосферным
блокированием над Западной Сибирью и достаточно стационарным
расположением циклон-антициклонной системы [20]. На западной стороне
блокирующего отрога в Западной Сибири происходила теплая адвекция сухого
воздуха, а на восточной периферии находились отсеченные циклоны с южными
выходами влажного теплого воздуха [21]. Подобное активное воздействие
оказывалось и на грозы в Якутии.
Заключение
Основные результаты статистического анализа параметров очень
низкочастотных радиоимпульсов от молниевых разрядов выражаются в третьем
защищаемом положении и заключаются в следующем:
1)Выявлены значения параметров многокомпонентных молний для гроз на
территории Якутии, в условиях резко-континентального климата и
наличиямноголетнемерзлыхгрунтов.Количествокомпонент
зарегистрированных молний не превышало 11. Без учета одиночных
молний в многокомпонентных молниях в среднем наблюдается 4,2
возвратных удара. Значения временного интервала между повторными
возвратными ударами имеет логнормальное распределение (90% – от 12,5
до 124,4 мс, 50% – от 24,4 до 64,6 мс). Среднее геометрическое и среднее
арифметическое для четырех зарегистрированных гроз соответствует
литературным данным: 33 (43) мс, 74(85), 48(63), 70(109) мс.
2)Величина сигналов повторных разрядов в среднем составила 0,58 от
первых (А1) в сериях разрядов (амплитуда половины всех разрядов – от
0,34 до 0,72А1). Определены два ограничения – максимальный порог, при
котором для интервалов до 50 мс максимальная относительная амплитуда
не превышает соответственных значений, а также минимальный порог,
действующий для всех значений интервалов, при котором амплитуда не
может быть ниже значений, соответственным интервалам. Для обоих
порогов наблюдается линейный рост амплитуды последующего разряда
относительно предыдущего с ростом величины интервала.
3)Установлено основное (33%) изменение амплитуд радиосигналов от
повторных возвратных ударов многокомпонентных молний, при котором
амплитуды сигналов повторных разрядов после первого максимального
возрастают до второго максимума, не превышающего амплитуду первого,
и снова снижаются. Дополнительно выявлены три варианта основного
изменения амплитуд (29,4%; 17,7%; 7,8% случаев).
Основные результаты анализа среднемноголетнего пространственного
распределения плотности грозовых разрядов на разных географических
масштабах с выделением областей повышенной грозовой активности объединены
во втором защищаемом положении и выражаются в следующем:
4)Выявлены два обширных региона в северной Азии с повышенной грозовой
активностью, где плотность грозовых разрядов более 10 раз превышала
среднюю плотность на остальной территории: первый находится на
Западно-Сибирской равнине, второй – в долине рек Амур и Сунгари.
Максимальная грозовая активность на территории Западно-Сибирской
равнины наблюдается в области между 55° с.ш., 60° в.д. и 61° с.ш., 75° в.д.,
которая расположена вдоль рек Тавда, Тобол и Иртыш. Максимальная
грозовая активность во втором очаге наблюдается вдоль 127° в.д. в
межгорно-котловинной области между горными хребтами Малый Хинган
и Становой, обусловленная деятельностью летнего дальневосточного
муссона.
5)Получено аналитическое выражение, дающее оценку величины средней за
летние месяцы плотности молний для местности в пределах
географических координат от 40° до 80° с.ш. и от 60° до 180° в.д.
Полученное выражение плотности молний актуально для континентальной
части северной Азии, в частотности в пределах территории Российской
Федерации. При представлении плотности в качестве функции широтного
хода, параметры которого изменяются с долготой, аналитическое
выражение показывает лучшее соответствие с данными: коэффициент
детерминации – 0,8.
Третья поставленная задача анализа межгодовых вариаций грозовой
активности в областях с повышенной плотностью грозовых разрядов в северной
Азии решена со следующими результатами, вошедшими в первое защищаемое
положение:
6)Пространственное распределение грозовых разрядов на территории
северной части Азии осциллирует с периодом 1–3 года. А также сезонный
ход показывает колебательные вариации со смещением пика активности с
середины сезона ближе к концу и обратно. Два выявленных региона
высокой активности показывают отрицательную взаимосвязь межгодовых
суммарныхвариаций между собой (R2~0,7), обусловленную
особенностями атмосферной циркуляции над северной частью Азии.
7)Установлено, что межгодовое количество молний в Якутии за 2009–
2019 гг. возросло в ~2 раза (на 1,3 × 104 разрядов/год по данным WWLLN).
Изменение количества молний в Якутии коррелирует с коэффициентом
~0,7 с грозовой активностью на всей территории северной Азии.
8)Установлено, что сезонный максимум грозовой активности в Якутии в
1999–2007 гг. приходился на июль. В 2008–2019 гг. максимум из года в год
нелинейно меняет свое положение с середины июня (ближе к началу сезона
в мае) до начала августа (ближе к завершению сезона в сентябре) и
обратно.