способ защиты от тропического циклона

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ТРОПИЧЕСКОГО ЦИКЛОНА, включающий определение параметров траектории тропического циклона, выбор зон воздействия и осуществление периодического воздействия в этих зонах на конвективные потоки в облачной системе тропического циклона, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат и повышения надежности за счет обеспечения движения тропического циклона по безопасному курсу, при определении параметров траектории производят измерение поля ветра, по которому определяют положение зон максимальной заторможенности и максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря, причем обе эти зоны или одну из них выбирают в качестве зон воздействия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне максимальной заторможенности тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают регенерацию конвективных потоков, а воздействие повторяют до отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, совпадающую с направлением вращения вихря.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне максимальной заторможенности тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают диссипацию конвективных потоков, а воздействие повторяют до отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, противоположную направлению вращения вихря.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости перемещения тропического циклона при его движении по безопасному курсу, в зоне максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают регенерацию конвективных потоков.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения скорости перемещения тропического циклона, в зоне максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают диссипацию конвективных потоков.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне максимальной заторможенности и в зоне максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают соответственно регенерацию и диссипацию конвективных потоков, а воздействие повторяют до отключения траектории движения тропического циклона в сторону, совпадающую с направлением вращения вихря и перехода ее на петлеобразную траекторию со снижением скорости перемещения.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне максимальной заторможенности и в зоне максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают регенерацию конвективных потоков, а воздействие повторяют до отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, совпадающую с направлением вращения вихря, и перехода ее на петлеобразную траекторию с увеличением скорости перемещения.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне максимальной заторможенности и в зоне максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают диссипацию конвективных потоков, а воздействие повторяют до отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, противоположную направлению вращения вихря, и перехода ее на петлеобразную траекторию со снижением скорости перемещения.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зоне максимальной заторможенности и в зоне максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря вызывают соответственно диссипацию и регенерацию конвективных потоков, а воздействие повторяют до отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, противоположную направлению вращения вихря, и перехода ее на петлеобразную траекторию с увеличением скорости перемещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к метеорологии, в частности к активным воздействиям на облачные системы (конвективные облака), и может быть использовано в целях предотвращения (защиты жизнедеятельности человека) от воздействия опасных и особо опасных явлений, например ураганов (тайфунов).

Известен способ активного воздействия на облачные системы, в частности на тропический циклон [1]. Цель - подавление тропического циклона - достигается тем, что по предлагаемому способу мономолекулярным слоем реагента (гексадексаном) покрывают область интенсивных восходящих потоков воздуха, ограниченную глазом циклона. Основными недостатками данного способа являются следующие:

нарушается экология океана и энергетический баланс;

дорогостоимость оборудования и большой расход реагента.

Также известной программой исследований, посвященной активному воздействию на ураган, является проект "Шторм Фюри" [2]. Основной концепцией засева в проекте "Шторм Фюри" является образование новой стены облаков из облачности дождевых полос методом динамического засева. Засев облаков производится при помощи самолетов и специальных устройств, которые представляют собой небольшие сбрасываемые пиротехнические устройства длиной 250 мм и 15 мм в диаметре, содержащие 17 г йодистого серебра в смеси, в которой 78% A₉JO₃ по массе. Засеянные облака в полосе дождей в результате стимулирования вырастают до области дивергенции в верхней тропосфере, в то время как возросший приток к поверхности моря отклоняет воздух от окружающей глаз урагана облачной стены. Общий баланс энергии включает дополнительное поступление скрытой теплоты конденсации, и это в несколько раз больше прямого поступления за счет замерзания переохлажденной воды.

Основным принципиальным недостатком рассмотренного аналога является неучет изменения траектории перемещения урагана, вызванный искусственным изменением его энергетики за счет активного воздействия на облачные системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ ослабления тропических циклонов (ураганов, тайфунов) [3], который выбран в качестве прототипа. В данном способе активные воздействия направлены на более полное подавление энергии урагана в его центральной части. Для этого создают сериями нисходящие движения по концентрическим окружностям, отстоящим от "глаза" урагана и друг от друга на расстоянии порядка 10-15 км и с шагом вдоль окружностей не более 5-10 км в течение времени, не превышающего период регенерации восходящих движений конвективных потоков в зоне воздействия. Серия взрывов вблизи от "глаза" урагана инициирует мощные нисходящие движения, саморазвивающиеся за счет внутренней энергии неустойчивости самого урагана. При этом система инициируемых нисходящих движений направлена обратно естественной циркуляции урагана и тем самым существенно его ослабляет.

Основным недостатком прототипа является сложность в подавлении процесса высвобождения энергии неустойчивости в атмосфере и большие материальные затраты. Кроме того, способ, частично снижая интенсивность урагана, совсем не учитывает изменение траектории и скорости его перемещения после воздействия со всеми вытекающими последствиями.

Целью изобретения является снижение затрат и повышение надежности за счет обеспечения движения тропического циклона по безопасному курсу.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе при определении параметров траектории (положении "глаза", скорость и направление перемещения) производят измерение поля ветра, по которому определяют положение зон максимальной заторможенности и максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря, обе эти зоны или одну из них выбирают в качестве зон воздействия на конвективные потоки в облачной системе тропического циклона, причем воздействие осуществляют путем искусственной регенерации (формирования восходящих движений) или искусственной диссипации (формирования нисходящих движений) конвективных потоков.

Наличие новых признаков по отношению к прототипу позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию "новизна".

В известных источниках информации не описаны операции, осуществляемые для целенаправленного изменения траектории и скорости перемещения вихревых образований, поэтому правомерно сделать вывод о соответствии предложения критерию "существенные отличия".

Принципиальное отличие предлагаемого технического решения от прототипа заключается в базовой концепции метода и состоит в том, что воздействия на конвективную облачность производят не с целью подавления развития тропического циклона (как это в [2] и [3]), а осуществляют активный контроль процесса высвобождения энергии неустойчивости, учитывая при этом и изменения вектора перемещения циклона после воздействия.

В основу предлагаемого технического решения положена неизвестная ранее закономерность перемещения вихревого образования в атмосфере, установленная экспериментально впервые на примере конвективного облака.

Вихревое образование в атмосфере смещается относительно точки максимальной заторможенности наибольшей по модулю тангенциальной составляющей вращения; скорость и направление перемещения закономерно изменяются в зависимости от потенциалов сил, действующих на динамическую систему вихрь - внешний ветер.

Другие ранее известные методы расчета перемещения тропических циклов, ураганов, тайфунов не позволяют получить вектор перемещения по данным первого наблюдения (требуется произвести как минимум два наблюдения с дискретностью по времени от одного до нескольких часов), т.е. получают вектор как перемещался тропический циклон, что существенно снижает оперативность анализа и прогноза стадии развития, а следовательно, и перемещения тропического циклона.

Установлено (методом математического моделирования), что основная роль в формировании циркуляции атмосферных вихрей принадлежит скрытой теплоте испарения в поднимающемся потоке воздуха в конвективных облаках развитых форм. Это обстоятельство положило начало поисков технических решений по ослаблению тропического циклона (тайфуна) путем активного воздействия на конвективные облака в его облачной системе.

На фиг.1а,б,в приведена кинематическая схема вихрь - внешний ветер, на которой обозначено положение точки А максимальной заторможенности в различных стадиях развития динамической системы. Стадия развития динамической системы определяется соотношением векторов: внешнего ветра U_с, тангенциальной составляющей вращения U. Модули указанных векторов определяются потенциалами действующих сил: неоднородностью полей давления, температуры, влажности, гравитационной составляющей, орографическими препятствиями.

Тангенциальная составляющая вращения вихря обусловлена высвобождением энергии неустойчивости в воздушной массе и связана с вертикальной составляющей уравнением неразрывности:

div U_x,y,z= 0 .

Очевидно, что если воздействовать на конвективную составляющую (вертикальную U_z), то это воздействие вызывает изменение горизонтальных составляющих U_x, U_y, а следовательно, тангенциальной составляющей вращения вихря; положение точки заторможенности - А также изменяется.

На фиг. 2 приводится поле ветра в тропическом циклоне, выделены зоны с максимальной скоростью движения воздуха. Совмещая кинематическую схему фиг. 1 с полем ветра фиг.2, представляется возможным по имеющимся данным получить вектор перемещения циклона. Рассчитанный вектор совпадает по модулю и направлению с действительным, приведенным в верхней части фиг.2. Следовательно, приведенная выше закономерность перемещения вихревого образования в атмосфере справедлива для тропических циклонов.

Следуя базовой концепции предлагаемого технического решения, активный контроль процесса высвобождения энергии неустойчивости, учитывая при этом и изменения вектора перемещения тропического циклона после воздействия, предлагается следующий порядок выполнения технологических операций.

П р и м е р. По данным измерений (например, допплеровским радиолокатором) поля ветра в тропическом циклоне получают тахограмму с максимальными значениями скорости ветра. На тахограмме определяют положение точки максимальной заторможенности наибольшей по модулю тангенциальной составляющей вращения -А. Из этой точки через центр вихря проводят линию положения вихревого слоя. Все векторы в вихревом слое параллельны и направлены нормально к линии положения. Строят (в масштабе) вектор наибольшей скорости в вихревом слое на противоположной от точки А стороне вихря. Начало этого вектора обозначено на фиг.2 точкой В, ее положение соответствует максимальному значению тангенциальной составляющей вращения вихря. Окончание этого вектора соединяют с точкой А, получают линию профиля вектора в вихревом слое. Из центра вихря строят вектор перемещения тропического циклона, который направлен нормально к линии положения и ограничен линией профиля ветра. Значение модуля получают путем перевода его геометрической длины через масштабный множитель в единицы измерения.

Если тропический циклон смещается угрожающим курсом, то имеется возможность выбора одной из шести комбинаций операций, направленных на изменение его траектории.

Вызывая регенерацию конвективных потоков (искусственное формирование восходящих движений) в зоне максимальной заторможенности тангенциальной составляющей вращения вихря (в зоне А), добиваются отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, совпадающую с направлением вращения вихря. Влево при циклоне, сформировавшемся в северном полушарии, и вправо - при циклоне, сформировавшемся в южном полушарии.

Вызывая диссипацию конвективных потоков (искусственное формирование нисходящих движений), в той же зоне обеспечивают отклонение траектории движения тропического циклона в сторону, противоположную направлению вращения вихря. Вправо - при циклоне, сформировавшемся в северном полушарии, и влево - при циклоне, сформировавшемся в южном полушарии.

Вызывая регенерацию в зоне А и одновременно диссипацию в зоне В (зоне максимального значения тангенциальной составляющей), добиваются отклонения траектории движения циклона в сторону, совпадающую с направлением вращения вихря, и перехода ее на петлеобразную траекторию с одновременным снижением скорости перемещения.

Вызывая одновременно регенерацию конвективных потоков в обеих зонах, добиваются отклонения траектории движения циклона в сторону, совпадающую с направлением вращения вихря, и перехода ее на петлеобразную траекторию с одновременным повышением скорости перемещения.

Вызывая одновременно диссипацию конвективных потоков в обеих зонах, добиваются отклонения траектории движения тропического циклона в сторону, противоположную направлению вращения вихря с переходом ее на петлеобразную траекторию с одновременным снижением скорости перемещения.

Вызывая в зоне А диссипацию, а в зоне В регенерацию конвективных потоков, обеспечивают отклонение траектории движения тропического циклона в сторону, противоположную направлению вращения вихря с одновременным повышением скорости перемещения.

Если тропический циклон перемещается безопасным курсом вблизи защищаемого объекта и есть вероятность его самопроизвольного изменения курса, следует воспользоваться одной из следующих двух комбинаций.

Вызывая регенерацию конвективных потоков в зоне В, добиваются увеличения скорости перемещения тропического циклона без изменения курса с целью его скорейшего выхода из района, прилегающего к защищаемому объекту.

Вызывая диссипацию в той же зоне В, добиваются снижения скорости циклона. Последнюю комбинацию целесообразно применять в случае затухающего циклона с целью ускорения его разрушения.

Регенерацию конвективных потоков в облаках вызывают путем введения в них небольших доз льдообразующего реагента (йодистое серебро) либо хладореагента (твердая углекислота). Реагент вводят в вершину облака. Воздействие осуществляют с дискретностью по времени равному либо превышающему период регенерации конвективных потоков, который определяют путем хронометража изменения высоты верхней границы облаков, либо при помощи радиолокатора. Признаков начала регенерации является ярко очерченная растущая по высоте вершина облака (по визуальным наблюдениям с самолета). Признаком места и времени введения реагента может служить появление на вершине облака волокнистых, вертикально ориентированных структур (определяется визуально с самолета). Самолет проходит непосредственно над вершиной облака с превышением над верхней границей на 500-600 м с тем, чтобы не оказать отрицательного влияния за счет динамического удара спутной струей. Высвободившаяся в результате активного воздействия теплота фазовых переходов (конденсация и кристаллизации) усиливает конвективные потоки в облаках.

Диссипация (подавление) конвективных потоков осуществляется путем сброса в вершину облака раскрывающихся бандеролей массой 20-30 кг, содержащих грубодисперсный порошок с удельной площадью не менее 10 м/г. Частицы грубодисперсного порошка, падая, вызывают развитие нисходящих движений, которые вызывают диссипацию энергии неустойчивости и восходящих движений в облаках. Воздействие повторяют с дискретностью по времени равной либо меньше, чем период регенерации конвективных потоков в облаках (приблизительно 15-20 мин).

В зависимости от поставленных задач операции способа следует осуществлять либо до момента выхода тропического циклона из зоны защищаемого объекта, либо до полной диссипации его энергии.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в том, что он позволяет не только контролировать процесс высвобождения энергии неустойчивости в тропическом циклоне (урагане, тайфуне), но и оперативно учитывать изменение траектории и скорости перемещения циклона после воздействия. Таким образом, реализация способа позволяет предохранить (защитить народнохозяйственные объекты и обеспечить жизнедеятельность человека в районах, подверженных разрушительной деятельности тропических циклонов (тайфунов, ураганов). Экономический эффект может быть оценен как предотвращенный ущерб.