Що таке грозова активність? Гроза – це природне явище

7 серпня 2014

Гроза – що це? Звідки беруться блискавки, що розтинають все небо, і грізні гуркіт грому? Гроза – це природне явище. Блискавки, звані електричними розрядами, можуть утворюватися всередині хмар (купчево-дощових), або між земною поверхнею та хмарами. Вони, зазвичай, супроводжуються громом. Блискавки пов'язані зі зливами, шквальним вітром, а нерідко і з градом.

Активність

Гроза - це одне з найнебезпечніших природних явищ. Люди, вражені блискавкою, виживають лише у поодиноких випадках.

Одночасно на планеті діє приблизно 1500 гроз. Інтенсивність розрядів оцінюють у сотню блискавок за секунду.

Розподіл гроз Землі нерівномірне. Наприклад, над континентами їх у 10 разів більше, ніж над океаном. Більша частина (78%) блискавкових розрядів зосереджена в екваторіальній та тропічній зонах. Особливо часто фіксується гроза у Центральній Африці. А ось полярні райони (Антарктика, Арктика) та полюси блискавок практично не бачать. Інтенсивність грози, виявляється, пов'язана із небесним світилом. У середніх широтах пік її припадає на післяполуденний (денний) годинник, на літо. А ось мінімум зареєстрований перед сходом сонця. Важливі та географічні особливості. Найбільш потужні грозові центри знаходяться в Кордильєрах та Гімалаях (гірські райони). Різнорічна кількість «грозових днів» і в Росії. У Мурманську, наприклад, їх лише чотири, в Архангельську — п'ятнадцять, Калінінграді — вісімнадцять, Пітері — 16, у Москві — 24, Брянську — 28, Воронежі — 26, Ростові — 31, Сочі — 50, Самарі — 25, Казані та Єкатеринбурзі - 28, Уфі - 31, Новосибірську - 20, Барнаулі - 32, Читі - 27, Іркутську та Якутську - 12, Благовіщенську - 28, Владивостоці - 13, Хабаровську - 25, Південно-Сахалінську - 7, Петропав.

Розвиток грози

Як воно відбувається? Грозова хмара утворюється лише за певних умов. Обов'язково є наявність висхідних потоків вологи, при цьому має бути наявність структури, де одна частка частинок знаходиться в крижаному стані, інша - в рідкому. Конвекція, що призведе до розвитку грози, виникне у кількох випадках.

Нерівномірне нагрівання приземних верств. Наприклад, над водою за значної різниці температур. Над великими містами грозова інтенсивність буде дещо сильнішою, ніж на околицях.

При витісненні холодним повітрям теплого. Фронтальна конвенція часто розвивається одночасно з обкладинними та шарувато-дощовими хмарами (хмарами).

При підйомах повітря у гірських масивах. Навіть малі височини можуть призвести до посилення утворень хмар. Це вимушена конвекція.

Будь-яка грозова хмара, незалежно від її типу, обов'язково проходить три стадії: купу, зрілості, стадію розпаду.

Класифікація

Грози певний час класифікувалися лише у місці спостереження. Вони поділялися, наприклад, на орфографічні, локальні, передні. Наразі грози класифікують за характеристиками, що залежать від тих метеорологічних оточень, у яких вони розвиваються. Висхідні потоки формуються через нестійкість атмосфери. Для створення грозових хмар це є основною умовою. Дуже важливими є характеристики таких потоків. Залежно від їхньої потужності та величини формуються, відповідно, різні типи грозових хмар. Як вони поділяються?

1. Купово-дощові одноосередкові, (локальні або внутрішньомасові). Мають градову чи грозову активність. Поперечні розміри від 5 до 20 км, вертикальні від 8 до 12 км. «Живе» така хмара до години. Після грози погода мало змінюється.

2. Багатоосередкові кластерні. Тут масштаби більші — до 1000 км. Багатоосередковий кластер охоплює групу грозових осередків, що знаходяться на різних стадіях формування та розвитку і в той же час становлять одне ціле. Як вони влаштовані? Зрілі грозові осередки розташовуються в центрі, що розпадаються з підвітряного боку. Поперечні розміри можуть досягати 40 км. Кластерні багатоосередкові грози «дають» пориви вітру (шквальні, але не сильні), злива, град. Існування одного зрілого осередку обмежується півгодини, а ось сам кластер може «жити» кілька годин.

3. Лінії шквалів. Це також багатоосередкові грози. Їх називають ще лінійними. Вони можуть бути суцільними, так і з брешами. Пориви вітру тут більш тривалі (на передньому фронті). Багатоосередкова лінія при наближенні здається темною стіною хмар. Число потоків (як висхідних, так і низхідних) тут досить велике. Саме тому такий комплекс гроз класифікується, як багатоосередковий, хоча грозова структура інша. Лінія шквала здатна дати інтенсивну зливу і велику град, проте частіше «обмежується» сильними поблажливими потоками. Найчастіше вона проходить перед холодним фронтом. На знімках така система має форму вигнутої цибулі.

4. Суперосередкові грози. Трапляються такі грози рідко. Вони особливо небезпечні для майна та життя людини. Хмара цієї системи схожа з одноосередковим, оскільки обидва відрізняються однією зоною висхідного потоку. Проте розміри у них різні. Суперосередкова хмара - величезна - близько 50 км в радіусі, висота - до 15 км. Межі його можуть бути у стратосфері. Форма нагадує єдину напівкруглу ковадло. Швидкість висхідних потоків набагато вища (до 60 м/с). Характерна риса – наявність обертання. Саме воно створює небезпечні, екстремальні явища (великий град (більше 5 см), руйнівні смерчі). Основним фактором для утворення такої хмари є навколишні умови. Йдеться про дуже сильну конвенцію з температурою від +27 і вітер зі змінним напрямком. Такі умови виникають при зсувах вітру у тропосфері. Опади, що утворюються в висхідних потоках, переносяться в зону низхідних, що забезпечує тривале життя хмарі. Опади розподіляються нерівномірно. Зливи йдуть поблизу висхідного потоку, а град - ближче на північний схід. Задня частина грози може зміститися. Тоді найбільш небезпечною зоною буде поряд з основним висхідним потоком.

Існує ще поняття "суха гроза". Це досить рідкісне, характерне для мусонів. При такій грозі відсутні опади (просто не долітають, випаровуючись внаслідок впливу високої температури).

Швидкість пересування

В ізольованій грозі вона становить приблизно 20 км/год, іноді швидше. Якщо холодні фронти активні, швидкість може становити 80 км/год. У багатьох гроз старі грозові осередки замінюються на нові. Кожна з них проходить відносно невеликий шлях (близько двох кілометрів), однак у сукупності відстань збільшується.

Механізм електризації

Звідки беруться самі блискавки? Електричні заряди навколо хмар і всередині них постійно рухаються. Процес цей досить складний. Найпростіше уявити картину роботи електричних зарядів у зрілих хмарах. Домінує у них дипольна позитивна структура. Як вона розподіляється? Позитивний заряд розміщується вгорі, а негативний – під ним, усередині хмари. Згідно з основною гіпотезою (цю область науки можна поки вважати малозвіданою), більш важкі та великі частинки заряджаються негативно, а дрібні та легені мають позитивний заряд. Перші падають швидше, ніж другі. Це стає причиною просторового розподілу об'ємних зарядів. Такий механізм підтверджується лабораторними експериментами. Мати сильну передачу заряду можуть частинки крижаної крупи або граду. Величина і знак залежатимуть від водності хмари, температури повітря (навколишнього), швидкості зіткнення (основні чинники). Не виключається вплив інших механізмів. Розряди відбуваються між землею та хмарою (або нейтральною атмосферою, або іоносферою). Саме в цей момент ми спостерігаємо спалахи, що розтинають небо. Або блискавки. Процес цей супроводжується гучними гуркотом (громом).

Гроза – це складний процес. На його вивчення можуть піти довгі десятиліття, а можливо навіть століття.

Міністерство освіти Російської Федерації
Казанський Державний Університет
Факультет географії та екології
Кафедра метеорології, кліматології та екології атмосфери
Грозова діяльність у Прідкісному
Курсова робота
Студента 3 курсу, гр. 259 Хімченко Д.В.

Науковий керівник, доцент Тудрій В.Д. ________
Казань 2007
Зміст

Вступ
1. Грозова діяльність
1.1. Характеристики гроз
1.2. Гроза, її вплив на людину та народне господарство
1.3. Грози та сонячна активність
2. Методи отримання та обробки вихідних даних
2.1. Отримання вихідного матеріалу
2.2. Основні статистичні характеристики
2.3. Статистичні характеристики індексів грозової активності
2.4. Розподіл основних статистичних характеристик
2.5. Аналіз трендів
2.6. Регресійна залежність числа днів із грозою від чисел Вольфа
Висновок
Література
Програми
Вступ

Типовий розвиток купово-дощових хмар і випадання з них опадів пов'язаний з потужними проявами атмосферної електрики, а саме з багаторазовими електричними розрядами в хмарах або між хмарами та Землею. Такі розряди іскрового характеру називають блискавками, а звуки, що їх супроводжують, - громом. Весь процес, який часто супроводжується ще й короткочасними посиленнями вітру - шквалами, називається грозою.
Грози завдають великої шкоди народному господарству. Їхнім дослідженням приділяють велику увагу. Наприклад, в основних напрямках економічного та соціального розвитку СРСР на 1986-1990рр. та на період до 2000 року було передбачено проведення великих заходів. Серед них особливої значущості набули дослідження небезпечних для народного господарства явищ погоди та вдосконалення методів їх прогнозу, у тому числі гроз та пов'язаних з ними злив, граду та шквалів. У наші дні також приділяється велика увага проблемам, пов'язаним із грозовою діяльністю та блискавкозахистом.
Грозовою діяльністю займалися багато вчених нашої та зарубіжних країн. Понад 200 років тому Б. Франкліном було встановлено електричну природу грози, понад 200 років тому М.В. Ломоносовим було запроваджено першу теорію електричних процесів у грозах. Незважаючи на це, досі немає задовільної загальної теорії грози.
Вибір не випадково припав на цю тему. Останнім часом інтерес до грозової діяльності зростає, що зумовлено багатьма чинниками. Серед них: більш поглиблене вивчення фізики грози, вдосконалення прогнозу гроз та способів захисту від блискавки та ін.
Метою даної курсової роботи є вивчення тимчасових особливостей розподілу та регресійної залежності грозової діяльності з числами Вольфа в різні періоди та в різних районах Предкам'я.
Завдання курсової роботи
1. Створити банк даних на технічних носіях числа днів з грозою з декадною дискретизацією як основні характеристики грозової діяльності, і чисел Вольфа як основної характеристики сонячної активності.
2. Розрахувати основні статистичні характеристики грозового режиму.
3. Знайти рівняння тренду числа днів із грозою.
4. Знайти рівняння регресії для числа днів із грозою в Предкам'ї та числами Вольфа.
Глава 1.Грозова діяльність
1.1 Характеристики гроз

Основними характеристиками її гроз є: число днів з грозою і повторюваність гроз.
Грози особливо часті над суходолом у тропічних широтах. Там є райони, де 100-150 днів і більше на рік із грозами. На океанах у тропіках гроз набагато менше, приблизно 10-30 днів на рік. Тропічні циклони завжди супроводжуються жорстокими грозами, однак ці обурення спостерігаються рідко.
У субтропічних широтах, де переважає високий тиск, гроз набагато менше: над сушею 20-50 днів із грозами на рік, над морем 5-20 днів. У помірних широтах 10-30 днів із грозами над сушею та 5-10 днів над морем. У полярних широтах грози – поодиноке явище.
Зменшення кількості гроз від низьких широт до високих пов'язане зі зменшенням водності хмар з широтою внаслідок зменшення температури.
У тропіках та субтропіках грози найчастіше спостерігаються у дощовий період. У помірних широтах над сушею найбільша повторюваність гроз влітку, коли розвивається конвекція у місцевих повітряних масах. Взимку грози в помірних широтах дуже рідкісні. Але над океаном грози, що у холодних повітряних масах, нагріваються знизу теплої води, мають максимум повторюваності взимку. На крайньому заході Європи (Британські острови, узбережжя Норвегії) також часті зимові грози.
Підраховано, що на земній кулі одночасно відбувається 1800 гроз і виникає помітно 100 блискавок у кожну секунду. У горах грози спостерігаються частіше, ніж рівнинах.
1.2 Гроза, її вплив на людину та народне господарство

Гроза належить до тих явищ природи, які помічає сама неспостережна людина. Її небезпечні дії широко відомі. Про її корисні наслідки знають менше, хоча вони відіграють істотну роль. В даний час проблема прогнозу гроз і пов'язаних з нею небезпечних конвективних явищ є найбільш актуальною і однією з найважчих у метеорології. Головні труднощі її вирішення полягають у дискретності розподілу гроз та складності взаємозв'язку між грозами та численними факторами, що впливають на їх формування. Розвиток гроз пов'язане з розвитком конвекції, яка дуже мінлива у часі та просторі. Прогноз гроз складний ще й тому, що крім передбачення синоптичної обстановки необхідно спрогнозувати стратифікацію та вологість повітря на висотах, товщину хмарного шару, максимальну швидкість висхідного потоку. Необхідно знати, як змінюється грозова активність у результаті людської діяльності. Вплив грози на людину, тварин, різноманітні види діяльності; питання, пов'язані з блискавкозахистом, також є актуальними у метеорології.
Розуміння природи грози є суттєвим не тільки для метеорологів. Вивчення електричних процесів у таких гігантських - порівняно з масштабами лабораторій - обсягах дозволяє встановити більш загальні фізичні закономірності природи високовольтних розрядів, розрядів у хмарах аерозолів. Таємниця кульових блискавок може бути розкрита лише за осягненні процесів, які у грозах.
За походженням грози поділяються на внутрішньомасові та фронтальні.
Внутрішньомасові грози спостерігаються двох типів: у холодних повітряних масах, що переміщаються на теплу земну поверхню, та над прогрітою сушею влітку (місцеві, або теплові грози). В обох випадках виникнення грози пов'язане з потужним розвитком хмар конвекції, а отже, із сильною нестійкістю стратифікації атмосфери та з сильними вертикальними переміщеннями повітря.
Фронтальні грози пов'язані головним чином з холодними фронтами, де тепле повітря витісняється вгору холодним повітрям, що просувається вперед. Влітку над сушею вони часто пов'язані і з теплими фронтами. Континентальне тепле повітря, що піднімається влітку над поверхнею теплого фронту, може виявитися дуже нестійким, тому над поверхнею фронту може виникнути сильна конвекція.
Відомі такі дії блискавок: теплові, механічні, хімічні та електричні.
Температура блискавки досягає від 8000 до 33000 градусів Цельсія, тому вона має велику теплову дію на навколишнє середовище. Тільки США, наприклад, блискавки викликають щорічно близько 10000 лісових пожеж. Однак у деяких випадках ці пожежі приносять користь. Наприклад, у Каліфорнії часті пожежі давно очищали ліси від порослі: вони були незначні і деревам не шкідливі.
Причиною виникнення механічних сил при ударі блискавки є різке підвищення температури, тиску газів і парів, що виникають у місці проходження блискавки. Так, наприклад, при ударі блискавки в дерево, дерев'яний сік, після проходження по ньому струму, переходить у стан газу. Причому цей перехід має вибуховий характер, внаслідок чого стовбур дерева розколюється.
Хімічна дія блискавки замало і обумовлена електролізом хімічних елементів.
Найнебезпечнішим для живих істот є електрична дія, оскільки внаслідок цієї дії удар блискавки може призвести до загибелі живої істоти. При ударі блискавки в незахищені або погано захищені будівлі або обладнання вона призводить до загибелі людей або тварин внаслідок виникнення високої напруги в окремих предметах, для цього людині або тварині достатньо торкнутися їх або перебувати поряд з ними. Блискавка вражає людину навіть за невеликих гроз, причому кожен прямий її удар для неї зазвичай смертельний. Після непрямого удару блискавки людина зазвичай не гине, але і в цьому випадку для збереження її життя потрібна своєчасна допомога.
Лісові пожежі, пошкоджені лінії електропередачі та зв'язку, уражені літаки та космічні апарати, нафтосховища, що загорялися, загублені градом сільськогосподарські посадки, зірвані штормовим вітром дахи, загиблі від удару блискавок люди і тварини - це далеко не повний список наслідків, пов'язаних з грозовою ситуацією.
Збитки, завдані блискавками лише за один рік по всій земній кулі, оцінюються мільйонами доларів. У зв'язку з цим ведуться розробки нових, досконаліших способів блискавкозахисту і точнішого прогнозу гроз, що, своєю чергою, зумовлює глибше вивчення грозових процесів.
1.3 Грози та сонячна активність

Вивченням сонячних зв'язків вчені займаються давно. Вони логічно дійшли висновку, що недостатньо розглядати Сонце лише як джерело променистої енергії. Енергія Сонця - основне джерело більшості фізико-хімічних явищ в атмосфері, гідросфері та поверхневому шарі літосфери. Природно різкі коливання кількості цієї енергії впливають на зазначені явища.
Систематизацією даних про сонячну активність займався цюріхський астроном Р.Вольф (R. Wolf, 1816-1893 р.р.). Він визначив, що, в середньому арифметичному, період максимальної та мінімальної кількості плям – максимуми та мінімуми сонцедіяльності дорівнює одинадцяти рокам.
Наростання плямоосвітнього процесу від точки мінімуму до максимуму відбувається стрибками з різкими підйомами та падіннями, зсувами та перебоями. Стрибки постійно зростають і в момент максимуму досягають своїх найвищих значень. Ці стрибки у появі та зникненні плям, мабуть, і є винуватцями багатьох ефектів, що розвиваються на Землі.
Найбільш показовою характеристикою інтенсивності активності Сонця, запропонованої Рудольфом Вольфом 1849 року, є числа Вольфа чи, звані, цюрихські числа сонячних плям. Обчислюється за формулою W=k*(f+10g), де f - кількість плям, що спостерігаються на диску Сонця, g - кількість утворених ними груп, k - нормувальний коефіцієнт, що виводиться для кожного спостерігача і телескопа, щоб мати можливість спільно використовувати знайдені ними відносні числа Вольфа. При підрахунку f кожне ядро ("тінь"), відокремлене від сусіднього ядра півтінню, а також кожна пора (маленька пляма без півтіні) вважаються плямами. При підрахунку g окрема пляма і навіть окрема пора вважаються групою.
З цієї формули видно, що індекс Вольфа є сумарним індексом, що дає загальну характеристику плямоосвітньої діяльності Сонця. Він безпосередньо враховує якісну бік сонячної активності, тобто. потужність плям та їх стійкість у часі.
Абсолютна кількість Вольфа, тобто. підраховане конкретним спостерігачем, визначається сумою добутку числа десять на загальну кількість груп сонячних плям, при цьому кожна окрема пляма вважається за групу, і повної кількості, як одиночних, так і входять до групи плям. Відносне число Вольфа визначається шляхом множення абсолютного числа Вольфа на нормувальний коефіцієнт, що визначається для кожного спостерігача та його телескопа.
Відновлена за історичними джерелами, починаючи з середини XVI століття, коли почалися підрахунки кількості сонячних плям, інформація дозволила отримати усереднені за кожен місяць числа Вольфа. Це дало можливість визначити характеристики циклів сонячної активності, починаючи з того часу і аж до наших днів.
Періодична діяльність Сонця дуже помітно впливає на число і, мабуть, на інтенсивність гроз. Останні є видимі електричні розряди в атмосфері, що супроводжуються зазвичай громом. Блискавка відповідає іскровому розряду електростатичної машини. Утворення грози пов'язане із конденсацією водяних. пари в атмосфері. Маси повітря, що спливають вгору, адіабатично охолоджуються, і це охолодження відбувається часто до температури нижче точки насичення. Тому конденсація пари може наступити раптово, утворюються краплі, створюючи хмару. З іншого боку, для конденсації парів необхідна присутність у атмосфері ядер чи центрів конденсації, якими, передусім, можуть бути частинки пилу.
Ми бачили вище, що кількість пилу у верхніх шарах повітря частково може бути обумовлена ступенем напруги плямового процесу на Сонці. Крім того, у періоди проходження плям на диску Сонця кількість ультрафіолетового випромінювання Сонця також зростає. Це випромінювання іонізує повітря, і іони також стають ядрами конденсації.
Потім йдуть електричні процеси у водяних краплях, які набувають електричного заряду. Однією з причин, що зумовлюють ці заряди є адсорбція водяними краплями легких іонів повітря. Однак значення цієї адсорбції другорядне і дуже незначне. Помічено також, що окремі краплі під впливом сильного електричного поля зливаються у струмінь. Отже, коливання у напруженості поля та зміна його знака можуть вплинути на краплі. Ймовірно, таким шляхом утворюються сильно заряджені краплі під час грози. Сильне електричне поле сприяє краплям також заряджатися електрикою.
Питання про періодичність гроз було порушено у західній літературі ще у 80-х роках минулого століття. Багато дослідників присвятили свої праці з'ясування цього питання, як Зенгер (Zenger), Красснер (Krassner), Бецольд (Bezold), Ріддер (Ridder) та ін. Так, Бецольд вказував на 11-денну періодичність гроз, а потім з обробки грозових явищ для Південної Німеччини за 1800-1887 р.р. отримав період 25,84 діб. У 1900р. Ріддер знайшов два періоди для повторюваності гроз у Ледеберзі за 1891-1894рр., А саме: у 27,5 та 33 діб. Перший із цих періодів близький до періоду обертання Сонця навколо осі і майже збігається з місячним тропічним періодом (27,3). У той же час були зроблені спроби зіставити періодичність гроз із процесом плям. Одинадцятирічний період у кількості гроз було виявлено Гессом для Швейцарії.
У Росії Д. О. Святський отримав на підставі своїх досліджень періодичності гроз таблиці та графіки, з яких добре видно як періоди повторюваності так званих грозових хвиль для великої Європейської Росії, перший – у 24 – 26, другий – у 26 – 28 діб, так і зв'язок грозових явищ із сонячною освітою плям. Отримані періоди виявилися настільки реальними, що з'явилася можливість намічати на кілька літніх місяців уперед дати проходження таких "грозових хвиль". Помилка не досягає більш ніж 1 - 2 діб, здебільшого виходить повний збіг.
Обробка спостережень грозової діяльності, проведена останніми роками Фаасом, показує, що для всієї території європейської частини СРСР найчастіше і щорічно зустрічаються періоди 26 і 13 (напівперіод) діб. Перший є знову-таки значення, дуже близьке до звернення Сонця навколо осі. Дослідження щодо залежності грозових явищ у Москві від сонцедіяльності проводилися за останні роки А. П. Мойсеєвим, який, ретельно спостерігаючи за плямоутворенням та грозами з 1915 по 1926 р., прийшов до висновку, що число та інтенсивність гроз у середньому стоїть у прямій відповідності до площею плям, що проходять через центральний меридіан Сонця. Грози частішали і посилювалися при збільшенні кількості плям на Сонці і найбільшої напруги досягали після проходження великих груп плям через середину диска Сонця. Таким чином, багаторічний перебіг кривої частоти гроз і перебіг кривої числа плям збігаються досить добре. Потім Мойсеєв досліджував інший цікавий факт, а саме добовий розподіл грози по годинах. Перший добовий максимум настає о 12 - 13 годині дня місцевого часу. Потім з 14 - 15 слід невелике зниження, о 15-16 годині йде головний максимум, і далі крива знижується. Імовірно, ці явища стоять у зв'язку як з прямим випромінюванням Сонця та іонізацією повітря, так і з ходом температури. З дослідження Мойсеєва видно, що у моменти максимуму сонячної діяльності, і навіть близько моменту мінімуму грозова діяльність найінтенсивніша, причому у моменти максимуму набагато різкіше виражена. Це дещо суперечить становищу, підтримуваному Бецольдом і Гессом, що мінімуми частоти гроз збігаються з максимумами сонячної діяльності, Фаас у своїй обробці гроз за 1996 р. вказує, що він звернув особливу увагу те що, чи не збільшується грозова діяльність під час проходження великих плям через центральний меридіан Сонця. Для 1926 ніяких позитивних результатів отримано не було, проте в I923 спостерігався дуже тісний зв'язок явищ. Це можна пояснити тим, що в роки максимуму сонячні плями групуються ближче до екватора і проходять поблизу видимого центру сонячного диска. При такому становищі їх вплив на Землю, що обурює, слід вважати найбільшим. Багато дослідників намагалися знайти інші періоди гроз, але коливання грозової діяльності з наявних у нашому розпорядженні матеріалам дуже важкооглядні і дають можливості встановити будь-які загальні закономірності. Принаймні питання це з часом привертає увагу все більшої кількості дослідників.
Число гроз та їх інтенсивність відомим чином відбиваються і на людині та її майні. Так, зі статистичних даних, наведених ще Буденом (Budin), видно, що максимуми смертних випадків від удару блискавки падають на роки максимальної напруги у діяльності Сонця, а мінімуми їх – на роки мінімуму плям. У той же час російський лісівник Тюрін зазначає, що, згідно з його дослідженнями, виробленими на масовому матеріалі, пожежі в брянському лісовому масиві набували стихійного характеру в 1872, 1860, 1852, 183б, 1810, 1797, 1776 і 175. У північних лісах також може бути відзначена періодичність, що дорівнює в середньому 20 років, причому дати лісових пожеж на півночі в багатьох випадках збігаються із зазначеними датами, що вказує на вплив однієї й тієї ж причини - посушливі епохи, деякі з них падають на роки максимумів сонцедіяльності . Можна відзначити, що у добовому ході грозової діяльності та у добовому ході числа пожеж від блискавки спостерігається також хороша залежність.
Глава 2.Методи отримання та обробки вихідних даних
2.1 Отримання вихідного матеріалу

У цій роботі використовувалися метеорологічні дані про грозову діяльність по семи станціях республіки Татарстан: Тетюші (1940-1980), Лаїшеве (1950-1980), Казань-Опорна (1940-1967), Кайбиці (1940-1968), Ар ), Агриз (1955-1967) та метеорологічній станції Казанського Державного Університету (1940-1980). Дані наводяться із декадною дискретизацією. Як індекси грозової активності бралося число днів з грозою в декаду. А також щомісячні дані про сонячну активність - числа Вольфа за 1940-1980 р.р.
За даними за ці роки розраховані основні статистичні характеристики для індексів грозової активності.
2.2 Основні статистичні характеристики

Метеорологія має справу з величезними масивами спостережень, які необхідно аналізувати для з'ясування закономірностей, що у атмосферних процесах. Тому у метеорології широко застосовуються статистичні методи аналізу великих масивів спостережень. Застосування потужних сучасних статистичних методів допомагає ясніше уявити факти та краще виявити зв'язок між ними.
Середнє значення часового ряду розраховується за формулою
? =? Gi/N
де 1< i Дисперсія показує розкид даних щодо середнього значення та знаходиться за формулою
?І = ?(Gi - ?)2 / N, де 1< i Величина, звана середньоквадратичним відхиленням, є квадратним коренем з дисперсії.
? =? (Gi -?) 2 / N, де 1< i Все більше застосування в метеорології знаходить найбільш ймовірне значення випадкової змінної – мода.
Також для характеристики метеовеличин використовують асиметрію та ексцес.
Якщо середнє значення більше моди, то розподіл частот називають позитивно асиметричним. Якщо середнє значення менше за моду, то негативно асиметричним. Коефіцієнт асиметрії обчислюється за формулою
A =? (Gi -?) 3 / N?3, де 1< i Асиметрія вважається мінімальною, якщо коефіцієнт асиметрії |A|?0.25. Асиметрія помірна, якщо 0,25<|А|>0,5. Асиметрія велика, якщо 0,5<|А|>1,5. Винятково більша асиметрія, якщо |А|>1,5. Якщо |А|>0 , то розподіл має правосторонню асиметрію, якщо |А|<0, то левостороннюю асиметрию.
Для розподілу частот, що мають однакові значення середньої асиметрії можуть відрізнятися величиною ексцесу
Е =? (Gi -?)? / N?? де 1< i Ексцес вважається малим, якщо | E | 0.5; помірним, якщо 1?|E|?3 і більшим, якщо |E|>3. Якщо -0.5?Е?3, то ексцес наближається до нормального.
Коефіцієнт кореляції - це величина, що показує взаємозв'язок між двома рядами, що корелюються.
Формула коефіцієнта кореляції має такий вигляд:
R = ?((Xi-X)*(Yi-Y))/?x?y
де X і Y - середні величини, x і y - середньоквадратичні відхилення.
Властивості коефіцієнта кореляції:
1. Коефіцієнт кореляції незалежних величин дорівнює нулю.
2. Коефіцієнт кореляції не змінюється від додавання до x і y будь-яких постійних (невипадкових) доданків, а також не змінюється від множення величин x та y на позитивні числа (постійні).
3. Коефіцієнт кореляції не змінюється під час переходу від x і y до нормованих величин.
4. Діапазон зміни від –1 до 1.
Необхідно перевірити надійність наявності зв'язку, треба оцінити значущість відмінності коефіцієнта кореляції від нуля.
Якщо для емпіричного R добуток RvN-1 виявиться більше деякого критичного значення, то з надійністю S можна стверджувати, що коефіцієнт кореляції буде достовірний (достовірно відрізняються від нуля).
Кореляційний аналіз дозволяє встановити значущість (невипадковість) зміни спостережуваної, вимірюваної випадкової величини у процесі випробувань, дозволяє визначити форму та напрямок існуючих зв'язків між ознаками. Але ні коефіцієнт кореляції, ні кореляційне відношення не дають відомостей про те, наскільки може змінюватися варіююча, результативна ознака при зміні факторіальної ознаки, що пов'язана з ним.
Функція, що дозволяє за величиною однієї ознаки за наявності кореляційного зв'язку знаходити очікувані значення іншої ознаки називається регресією. Статистичний аналіз регресії називається регресійним аналізом. Це вищий ступінь статистичного аналізу масових явищ. Регресійний аналіз дозволяє передбачати Y за ознакою X:
Yx-Y=(Rxy* ?y*(X-X))/ ?x (2.1)
Xy-X = (Rxy *? x * (Y-Y)) /? y (2.2)
де X та Y - відповідають середньому, Xy та Yx - приватні середні, Rxy - коефіцієнт кореляції.
Рівняння (2.1) та (2.2) можна записати у вигляді:
Yx=a+by*X (2.3)
Xy=a+bx*Y (2.4)
p align="justify"> Важливою характеристикою рівнянь лінійної регресії є середня квадратична похибка. Вона має такий вигляд:
для рівняння (2.3) Sy=?y*v1-Rіxy (2.5)
для рівняння (2.4) Sx= ?x*v1-RIxy (2.6)
Помилки регресії Sx і Sy дозволяють визначити можливу (довірчу) зону лінійної регресії, у межах якої є справжня лінія регресії Yx (чи Xy), тобто. лінія регресії генеральної сукупності.
Розділ 3. Аналіз розрахунків
3.1 Розподіл основних статистичних характеристик

Розглянемо деякі статистичні характеристики числа днів із грозою у Предкам'ї на семи станціях (Таблиці 1-7). У зв'язку з дуже малим числом днів із грозою в зимовий час, у цій роботі розглядатиметься період із квітня по вересень.
Станція Тетюші:
У квітні максимальне середньодекадне значення спостерігається у 3 декаді місяця = 0,20. Модальні значення у всіх декадах дорівнюють нулю, отже, слабка грозова діяльність. Максимум дисперсії та середньоквадратичного відхилення також спостерігаються у 3 декаді? 2 = 0.31; ? =0.56. Асиметрія характеризується винятково великим значенням у другій декаді А = 4,35. Також у 2 декаді спостерігається велике значення ексцесу E = 17,79.
У травні внаслідок збільшення приток тепла збільшується грозова діяльність. Максимальне середньодекадне значення спостерігалося у 3 декаді та становило? =1.61. Модальні значення у всіх декадах дорівнюють нулю. Максимальні значення дисперсії та середньоквадратичного відхилення спостерігаються у 3 декаді? 2 = 2.59; ? = 1.61. Значення асиметрії та ексцесу зменшуються від першої декади до третьої (у першій декаді А=1,23; Е=0,62; у третій декаді А=0,53; Е=-0,95).
У червні максимум среднедекадного значення посідає третю декаду?=2,07. Спостерігається збільшення значень дисперсії та середньоквадратичного відхилення порівняно з квітнем і травнем: максимум у другій декаді (? 2 = 23,37; ? = 1,84), мінімум у першій (? 2 = 1,77; ? = 1,33) . Модальні значення у перших двох декадах дорівнюють нулю, у третій декаді воно склало М=2. Асиметрія у всіх декадах велика та позитивна, у третій декаді. Ексцес у двох декадах характеризується малими значеннями, у третій декаді його значення підвищилося Е=0,67.
Найбільше середньодекадне значення у липні? =2,05 у другій декаді. Модальні значення перших двох декадах рівні 1 і 2 відповідно, у третій нулю. Максимальні значення дисперсії та середньоквадратичного відхилення спостерігаються у другій декаді та становлять? 2 = 3,15 і? = 1,77 відповідно, мінімальні у першій декаді? 2 = 1,93 і? = 1,39 відповідно. Асиметрія характеризується великими, позитивними значеннями: максимум першій декаді А=0,95, мінімум у другій декаді А=0,66. Ексцес у другій і третій декадах малий і має у другій декаді негативне значення, на першу декаду припадає максимум Е = 1,28 мінімум у другій декаді Е = -0,21.
Торішнього серпня грозова діяльність зменшується. Найбільше середньодекадне значення в першій декаді? =1,78, найменше - у третій? =0.78. Модальні значення у першій та третій декадах дорівнюють нулю, у другій – одиниці. Спостерігається зменшення значень дисперсії та середньоквадратичного відхилення: максимум у першій декаді (? 2 = 3,33; ? = 1,82), мінімум у третій (? 2 = 1,23; ? = 1,11). Відбувається невелике збільшення значень асиметрії та ексцесу від першої декади до третьої: максимуми у третій декаді А=1,62, Е=2,14, мінімуми у другій декаді А=0.40, Е=-0,82.
У вересні максимальне середньодекадне значення становило? =0,63 у першій декаді місяця. Модальні значення дорівнюють нулю. Відзначається зменшення значень дисперсії та середньоквадратичного відхилення від першої декади до третьої (? 2 =0,84; ? =0,92 - у першій декаді та? 2 =0,11; ? =0,33 - у третій).
Узагальнюючи вищесказане, робимо висновок, що значення таких статистичних характеристик як мода, дисперсія та середньоквадратичне відхилення збільшуються разом із підвищенням грозової діяльності: максимальні значення спостерігаються наприкінці червня – на початку липня (рис.1).
Рис.1
Асиметрія та ексцес навпаки приймають найбільші значення під час мінімальної грозової діяльності (квітень, вересень), у період максимальної грозової діяльності асиметрія та ексцес характеризуються більшими значеннями, але меншими порівняно з квітнем та вереснем (рис.2).
Рис.2
Максимальна грозова діяльність спостерігалася наприкінці червня – на початку липня (рис.3).
Рис.3
Проаналізуємо інші станції, спираючись на графіки, побудовані за розрахованим статистичним величинам цих станціях.
Станція Лаїшеве:
На малюнку зображено середньодекадне значення числа днів із грозою. За графіком видно, що є два максимуми грозової діяльності, що припадають на кінець червня та кінець липня, рівні? = 2,71 і? = 2,52 відповідно. Також можна відзначити стрибкоподібне зростання та спадання, що говорить про сильну мінливість погодних умов у даному районі (рис.4).
Рис.4
Мода, дисперсія та середньоквадратичне відхилення мають найбільші значення в період з кінця червня до кінця липня, що відповідає періоду найбільшої грозової активності. Максимальна дисперсія спостерігалася у третій декаді липня та склала? 2 = 4,39 (рис.5).
Рис.5
Асиметрія та ексцес приймають свої найбільші значення у другій декаді квітня (А=5,57; Е=31), тобто. під час мінімальної грозової активності. На період максимальної грозової діяльності характеризуються малими значеннями (А=0,13; Е=-1,42) (рис.6).
Рис.6
Станція Кзань-опорна:
На цій станції відзначається плавне зростання та падіння грозової активності. Максимум триває з кінця червня до середини серпня, з абсолютним значенням = 2,61 (рис.7).
Рис.7
Модальні значення виражені досить сильно порівняно з попередніми станціями. Спостерігаються два основних максимуми М=3 у третій декаді червня та у другій декаді липня. У цей час досягають своїх максимумів дисперсія і середньоквадратичне відхилення (? 2 =3,51; ?=1,87) (рис.8).
Рис.8
Максимуми асиметрії та ексцесу відзначаються у другій декаді квітня (А=3,33; Е=12,58) та третій декаді вересня (А=4,08; Е=17,87). Мінімум спостерігався у третій декаді липня (А=0,005; Е=-1,47) (рис.9).
Рис.9
Станція Кайбіци:
Максимальне середнє значення у другій декаді червня? = 2,79. Спостерігається стрибкоподібний ріст і плавне зменшення грозової активності (рис.10).
Мал. 10
Модальне значення набуває максимального значення у другій декаді червня М=4. У цей час дисперсія і середньоквадратичне відхилення теж максимальні (? 2 =4,99; ?=2,23) (рис.11).
Рис.11
Асиметрія та ексцес характеризуються виключно великими значеннями у другій декаді квітня (А=4,87; Е=24,42) та третій декаді вересня (А=5,29; Е=28,00). Мінімум відзначався у першій декаді червня (А=0,52; Е=-1,16) (рис.12).
Рис.12
Станція Арск:
На цій станції спостерігається два максимуми грозової активності, що припадають на другу декаду червня і третю декаду липня = 2,02 (рис.13).
Рис.13
Максимуми дисперсії та середньоквадратичного відхилення припадають на другу декаду червня, що збігається з максимумом середнього значення грозової активності (? 2 = 3,97; ? = 1,99). Другий максимум грозової активності (третя декада липня) супроводжується також великими значеннями дисперсії та середньоквадратичного відхилення (? 2 = 3,47; ? = 1,86) (рис.14).
Рис.14
Відзначається виключно великі значення асиметрії та ексцесу у першій декаді квітня (А=6,40; Е=41,00). У вересні ці величини характеризуються також більшими значеннями (А=3,79; Е=13,59 у третій декаді вересня). Мінімум у другій декаді липня (А = 0,46; Е = -0,99) (рис.15).
Рис.15
Станція Агриз:
У зв'язку з малим обсягом вибірки на цій станції судити про грозову активність можемо лише умовно.
Спостерігається стрибкоподібна зміна грозової активності. Максимум досягається у третій декаді липня? = 2.92 (рис.16).
Рис.16
Добре виражено модальне значення. Спостерігається три максимуми М=2 у третій декаді травня, у третій декаді червня та у другій декаді липня. Дисперсія та середньоквадратичне відхилення мають по два основні максимуми, що припадають на другу декаду червня та на третю декаду липня та рівні? 2 = 5,08; ? =2,25 і? 2 = 4,91; ? = 2,22 відповідно (рис.17).
Рис.17
Відзначається виключно великі значення асиметрії та ексцесу у всіх декадах квітня (А=3,61; Е=13,00). Два основних мінімуми: у другій декаді травня (А=0,42; Е=-1,46) та першій декаді липня (А=0,50; Е=-1,16) (рис.18).
Рис.18
Станція КМУ:
Максимум середнього значення посідає другу декаду червня і становить?=1,90. Також можна відзначити плавне зростання і зменшення грозової активності (рис.19).
Рис.19
Мода досягає своїх максимальних значень у другій декаді червня (М=2) та першій декаді липня (М=2). Дисперсія та середньоквадратичне відхилення приймають свої найбільші значення у третій декаді липня (? 2 = 2,75; ? = 1,66) (рис.20).
Рис.20
У квітні та у вересні асиметрія та ексцес характеризуються винятково великими значеннями: у першій декаді квітня - А=6,40; Е=41,00, у третій декаді вересня - А=4,35; Е = 17,79. Мінімум асиметрії та ексцесу у другій декаді липня (А=0,61; Е=-0,48) (рис.21).
Рис.21
3.2 Аналіз трендів

Невипадкова складова тимчасового ряду, що повільно змінюється, називається трендом.
В результаті обробки даних було отримано рівняння тренду на семи станціях місячними даними (Таблиці 8-14). Розрахунки проводилися за трьома місяцями: травень, липень та вересень.
На станції Тетюші відзначається за багаторічний період збільшення грозової активності у весняні та осінні місяці, та її зменшення у липні.
На ст. Лаїшево у травні за багаторічний період відзначається збільшення грозової активності (b = 0,0093), а у липні та вересні її зменшення.
На станціях Казань-Опорна, Кайбиці та Арск у всіх трьох місяцях коефіцієнт b позитивний, що відповідає збільшенню гроз.
На ст. Агриз, зважаючи на малий обсяг вибірки, говорити про характер зміни інтенсивності грозової діяльності важко, але можна відзначити, що у травні та липні відбувається зменшення, а у вересні – підвищення грозової активності.
На станції Казанського Державного Університету у травні та липні коефіцієнт b позитивний, а у вересні має знак мінус.
Максимальний коефіцієнт b у липні на ст. Кайбіци (b = 0,0577), мінімальний - у липні на ст. Лаїшеве.
3.3 Аналіз регресійної залежності числа днів із грозою від чисел Вольфа

Розрахунки проводилися центральному місяці літа - липню (Таблица15), в такий спосіб, вибірка становила N=40 липня з 1940 по 1980 року.
Зробивши відповідні розрахунки, отримали такі результати:
Імовірність довіри для коефіцієнта a всіх станціях практично нульова. Імовірність довіри для коефіцієнта b більшості станцій теж мало відрізняється від нуля і лежить у проміжку 0,23?b?1,00.
Коефіцієнт кореляції всіх станціях, крім ст. Агриз, негативний і вбирається у значення r=0,5, коефіцієнт детермінації цих станціях вбирається у значення r 2 =20,00.
На ст. Агриз коефіцієнт кореляції позитивний та найбільший r=0,51, ймовірність довіри r 2 =25,90.
Висновок

В результаті про і т.д.................

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Чомучка: Що таке гроза? Навчальний мультфільм для дітей

✪ ДЕ МОЖНА ПОБАЧИТИ КУЛЬОВУ блискавку

✪ Кульова блискавка / Спрайти, ельфи, джети / Грозові явища

✪ Що буде, якщо блискавка вдарить у річку

✪ Жорстко в грозу, воду, бруд! На електросамокаті ZAXBOARD AVATAR / Арстайл /

Субтитри

Географія гроз

Одночасно на Землі діє близько півтори тисячі гроз, середня інтенсивність розрядів оцінюється як 100 блискавок на секунду. На поверхні планети грози розподіляються нерівномірно. Над океаном гроз спостерігається приблизно вдесятеро менше, ніж над континентами. У тропічній та екваторіальній зоні (від 30 ° північної широти до 30 ° південної широти) зосереджено близько 78% всіх блискавкових розрядів. Максимум грозової активності припадає на Центральну Африку. У полярних районах Арктики та Антарктики та над полюсами гроз практично не буває. Інтенсивність гроз слід за сонцем: максимум гроз припадає на літо (у середніх широтах) і денні післяполудні години. Мінімум зареєстрованих гроз припадає на якийсь час перед сходом сонця. На грози впливають також географічні особливості місцевості: сильні грозові центри перебувають у гірських районах Гімалаїв та Кордильєр.

Середньорічне число днів із грозою в деяких містах Росії:

Місто	Число днів із грозою
Архангельськ	20
Астрахань	14
Барнаул	32
Благовіщенськ	28
Брянськ	28
Владивосток	13
Волгоград	21
Воронеж	26
Єкатеринбург	28
Іркутськ	15
Казань	28
Калінінград	18
Красноярськ	24
Москва	24
Мурманськ	4
Нижній Новгород	28
Новосибірськ	20
Київ	27
Оренбург	28
Петропавловськ-Камчатський	1
Ростов-на-Дону	31
Самара	25
Санкт-Петербург	16
Саратов	28
Сочі	50
Ставропіль	26
Сиктивкар	25
Томськ	24
Уфа	31
Хабаровськ	25
Ханти-Мансійськ	20
Челябінськ	24
Чита	27
Південно-Сахалінськ	7
Якутськ	12

Стадії розвитку грозової хмари

Необхідними умовами для виникнення грозової хмари є наявність умов для розвитку конвекції або іншого механізму, що створює висхідні потоки запасу вологи, достатнього для утворення опадів, та наявності структури, в якій частина хмарних частинок знаходиться в рідкому стані, а частина - в крижаному. Конвекція, що призводить до розвитку гроз, виникає у таких випадках:

при нерівномірному нагріванні приземного, шару повітря над різною поверхнею, що підстилає. Наприклад, над водною поверхнею та сушею через відмінності в температурі води та ґрунту. Над великими містами інтенсивність конвекції значно вища, ніж у містах.
під час підйому чи витіснення теплого повітря холодним на атмосферних фронтах. Атмосферна конвекція на атмосферних фронтах значно інтенсивніша і частіше, ніж за внутрішньомасової конвекції. Часто фронтальна конвекція розвивається одночасно з шарувато-дощовими хмарами і облоговими опадами, що маскує купчасто-дощові хмари, що утворюються.
під час підйому повітря у районах гірських масивів. Навіть невеликі височини біля призводять до посилення освіти хмар (за рахунок вимушеної конвекції). Високі гори створюють особливо складні умови у розвиток конвекції і майже завжди збільшують її повторюваність і інтенсивність.

Всі грозові хмари, незалежно від їх типу, послідовно проходять стадії купової хмари, стадію зрілої грозової хмари та стадію розпаду.

Класифікація грозових хмар

У 20 столітті грози класифікувалися відповідно до умов формування: внутрішньомасові, фронтальні або орографічні. Нині найбільш прийнято класифікувати грози відповідно до характеристиками самих гроз, і це характеристики переважно залежить від метеорологічного оточення, у якому розвивається гроза.
Основною необхідною умовою для утворення грозових хмар є стан нестійкості атмосфери, що формує висхідні потоки. Залежно від величини та потужності таких потоків формуються грозові хмари різних типів.

Одноосередкове

Одноосередкові купово-дощові (Cumulonimbus, Cb) хмари розвиваються у дні зі слабким вітром у малоградієнтному баричному полі. Їх називають ще внутрішньомасовими чи локальними. Вони складаються з конвективного осередку зі висхідним потоком у центральній своїй частині, можуть досягати грозової та градової інтенсивності та швидко руйнуватися з випаданням опадів. Розміри такої хмари: поперечний – 5-20 км, вертикальний – 8-12 км, тривалість життя – близько 30 хвилин, іноді – до 1 години. Серйозних змін погоди після грози немає.
Формування хмарності починається з виникнення купової хмари гарної погоди (Cumulus humilis). За сприятливих умов кучові хмари, що виникли, швидко ростуть як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямку, при цьому висхідні потоки знаходяться майже по всьому обсягу хмари і збільшуються від 5 м/с до 15-20 м/с. Східні потоки дуже слабкі. Навколишнє повітря активно проникає всередину хмари за рахунок змішування на межі та вершині хмари. Хмара перетворюється на стадію середніх купових (Cumulus mediocris). Найдрібніші водяні краплі, що утворюються в результаті конденсації, в такій хмарі зливаються в більші, які відносяться потужними висхідними потоками вгору. Хмара ще однорідна, складається з крапель води, що утримуються висхідним потоком, - опади не випадають. У верхній частині хмари при попаданні частинок води в зону негативних температур краплі поступово перетворюються на кристали льоду. Хмара переходить у стадію потужної купової хмари (Cumulus congestus). Змішаний склад хмари призводить до укрупнення хмарних елементів та створення умов для випадання опадів та утворення грозових розрядів. Таку хмару називають кучево-дощовим (Cumulonimbus) або (в окремому випадку) кучево-дощовим лисим (Cumulonimbus calvus). Вертикальні потоки у ньому досягають 25 м/с, а рівень вершини сягає висоти 7-8 км.
Частини, що випаровуються, опадів охолоджують навколишнє повітря, що призводить до подальшого посилення низхідних потоків. На стадії зрілості у хмарі одночасно присутні і висхідні, і низхідні повітряні потоки.
На стадії розпаду в хмарі переважають низхідні потоки, які поступово охоплюють всю хмару.

Багатоосередкові кластерні грози

Це найпоширеніший тип гроз, пов'язаний із мезомасштабними (що мають масштаб від 10 до 1000 км) збуреннями. Багатоосередковий кластер складається з групи грозових осередків, що рухаються як єдине ціле, хоча кожен осередок в кластері знаходиться на різних стадіях розвитку грозової хмари. Грозові осередки, що знаходяться в стадії зрілості, зазвичай розташовуються в центральній частині кластера, а осередки, що розпадаються, - з підвітряної сторони кластера. Вони мають поперечні розміри 20-40 км, їхні вершини нерідко піднімаються до тропопаузи та проникають у стратосферу. Багатоосередкові кластерні грози можуть давати град, зливи та відносно слабкі шквальні пориви вітру. Кожен окремий осередок у багатоосередковому кластері знаходиться у зрілому стані близько 20 хвилин; сам багатоосередковий кластер може існувати протягом кількох годин. Даний тип грози зазвичай більш інтенсивний, ніж одноосередкова гроза, але набагато слабше суперячейкової грози.

Багатоосередкові лінійні грози (лінії шквалів)

Багатоосередкові лінійні грози є лінією гроз з тривалим, добре розвиненим фронтом поривів вітру на передній лінії фронту. Лінія шквалів може бути суцільною або містити проломи. Багатоосередкова лінія, що наближається, виглядає як темна стіна хмар, зазвичай покриває горизонт із західного боку (у північній півкулі). Велика кількість близько розташованих висхідних / низхідних потоків повітря дозволяє кваліфікувати даний комплекс гроз як багатоосередковий, хоча його грозова структура різко відрізняється від кластерної грози. Лінії шквалів можуть давати великий град (діаметром більше 2 см) та інтенсивні зливи, але вони відомі як системи, що створюють сильні низхідні потоки та зрушення вітру, небезпечні для авіації. p align="justify"> Лінія шквалів близька за властивостями до холодного фронту, але є локальним результатом грозової діяльності. Часто лінія шквалів виникає попереду холодного фронту. На радарних знімках ця система нагадує вигнуту цибулю (bow echo). Дане явище характерне для Північної Америки, на території Європи та Європейської території Росії спостерігається рідше.

грози

Суперосередок - найбільш високоорганізована грозова хмара. Суперосередкові хмари відносно рідкісні, але становлять найбільшу загрозу для здоров'я та життя людини та її майна. Суперячейкова хмара схожа з одноосередковим тим, що обидва мають одну зону висхідного потоку. Відмінність полягає в розмірі суперосередка: діаметр близько 50 км, висота - 10-15 км (нерідко верхня межа проникає в стратосферу) з єдиною напівкруглою ковадлом. Швидкість висхідного потоку в суперосередковій хмарі значно вища, ніж в інших типах грозових хмар: до 40-60 м/с. Основною особливістю, що відрізняє суперкоміркову хмару від хмар інших типів, є наявність обертання. Східний потік, що обертається, в суперосередковій хмарі (в радарній термінології званий мезоциклоном), створює екстремальні за силою погодні явища, такі, як великий град (діаметром 2-5 см, іноді і більше), шквали зі швидкістю до 40 м/с і сильні руйнівні зміри . Навколишні умови є основним фактором в утворенні суперосередкової хмари. Необхідна дуже сильна конвективна нестійкість повітря. Температура повітря біля землі (до грози) має бути +27...+30 і вище, але головною необхідною умовою є вітер змінного напрямку, що викликає обертання. Такі умови досягаються при зсуві вітру у середній тропосфері. Опади, що утворюються у висхідному потоці, переносяться по верхньому рівню хмари сильним потоком у зону низхідного потоку. Таким чином, зони висхідного та низхідного потоків виявляються розділеними у просторі, що забезпечує життя хмари протягом тривалого періоду часу. Зазвичай на передній кромці хмари суперспостерігається слабкий дощ. Зливові опади випадають поблизу зони висхідного потоку, а найбільш сильні опади та великий град випадають на північний схід від зони основного висхідного потоку. Найбільш небезпечні умови спостерігаються неподалік від зони основного висхідного потоку (зазвичай зміщені до задньої частини грози).

Фізичні характеристики грозових хмар

Літакні та радарні дослідження показують, що одиничний грозовий осередок зазвичай досягає висоти близько 8-10 км і живе близько 30 хвилин. Ізольована гроза зазвичай складається з кількох осередків, що у різних стадіях розвитку, і триває близько години. Великі грози можуть досягати в діаметрі десятків кілометрів, їхня вершина може досягати висоти понад 18 км, і вони можуть тривати багато годин.

Висхідні та низхідні потоки

Висхідні та низхідні потоки в ізольованих грозах зазвичай мають діаметр від 0,5 до 2,5 км та висоту від 3 до 8 км. Іноді діаметр висхідного потоку може досягати 4 км. Поблизу поверхні землі потоки зазвичай збільшуються в діаметрі, а швидкість у них падає порівняно з вище розташованими потоками. Характерна швидкість висхідного потоку лежить у діапазоні від 5 до 10 м/с і сягає 20 м/с у верхній частині великих гроз. Дослідницькі літаки, що пролітають крізь грозову хмару на висоті 10 000 м, реєструють швидкість висхідних потоків понад 30 м/с. Найбільш сильні висхідні потоки спостерігаються в організованих грозах.

Шквали

У деяких грозах виникають інтенсивні низхідні повітряні потоки, що створюють на поверхні землі вітер руйнівної сили. Залежно від розміру, такі низхідні потоки називаються шквалами або мікрошквалами. Шквал діаметром понад 4 км. може створювати вітер до 60 м/с. Мікрошквали мають менші розміри, але створюють вітер швидкістю до 75 м/с. Якщо гроза, що породжує шквал, утворюється з досить теплого і вологого повітря, то мікрошквал супроводжуватиметься інтенсивним зливовим дощем. Однак, якщо гроза формується з сухого повітря, опади під час випадання можуть випаруватися (смуги опадів, що випаровуються в повітрі, або virga), і мікрошквал буде сухим. Східні повітряні потоки є серйозною небезпекою для літаків, особливо під час зльоту або посадки, оскільки вони створюють поблизу землі вітер із сильними раптовими змінами швидкості та напряму.

Вертикальний розвиток

У загальному випадку, активна конвективна хмара підніматиметься доти, доки вона не втратить плавучість. Втрата плавучості пов'язана з навантаженням, що створюється осадами, що утворилися в хмарному середовищі, або змішуванням з навколишнім сухим холодним повітрям, або комбінацією цих двох процесів. Зростання хмари також може бути зупинене шаром блокуючої інверсії, тобто шаром, де температура повітря росте з висотою. Зазвичай грозові хмари досягають висоти близько 10 км, але іноді досягають висот понад 20 км. Коли вміст вологи і нестабільність атмосфери високі, то при сприятливому вітрі хмара може зрости до тропопаузи, шару, що відокремлює тропосферу від стратосфери. Тропопауза характеризується температурою, що залишається приблизно постійною зі зростанням висоти і відома як область високої стабільності. Як тільки висхідний потік починає наближатися до стратосфери, то незабаром повітря у вершині хмари стає холоднішим і важчим за навколишнє повітря, і зростання вершини зупиняється. Висота тропопаузи залежить від широти місцевості та від сезону року. Вона варіюється від 8 км у полярних регіонах до 18 км і вище поблизу екватора.

Коли купова конвективна хмара досягає блокуючого шару інверсії тропопаузи, вона починає розтікатися в сторони і утворює характерну для грозових хмар «ковадло». Вітер, що дме на висоті ковадла, зазвичай зносить хмарний матеріал у напрямку вітру.

Турбулентність

Літак, що пролітає крізь грозову хмару (залітати в купово-дощові хмари забороняється), зазвичай потрапляє в болтанку, що кидає літак вгору, вниз та в сторони під дією турбулентних потоків хмари. Атмосферна турбулентність створює відчуття дискомфорту для екіпажу літака та пасажирів та викликає небажані навантаження на літак. Турбулентність вимірюється різними одиницями, але найчастіше її визначають у одиницях g – прискорення вільного падіння (1g = 9,8 м/с 2). Шквал одного g створює небезпечну для літаків турбулентність. У верхній частині інтенсивних гроз зареєстровані вертикальні прискорення до трьох g.

Рух

Швидкість і рух грозової хмари залежить від напряму вітру, насамперед, взаємодії висхідної та низхідної потоків хмари з повітряними потоками, що несуть у середніх шарах атмосфери, в яких розвивається гроза. Швидкість переміщення ізольованої грози зазвичай близько 20 км/год, але деякі грози рухаються набагато швидше. В екстремальних ситуаціях грозова хмара може рухатися зі швидкостями 65-80 км/год – під час проходження активних холодних фронтів. У більшості гроз у міру розсіювання старих грозових осередків послідовно виникають нові грозові осередки. За слабкого вітру окремий осередок за час свого життя може пройти зовсім невеликий шлях, менше двох кілометрів; однак у більших грозах нові осередки запускаються низхідним потоком, що випливає зі зрілої осередки, що створює враження швидкого руху, який не завжди збігається з напрямом вітру. У великих багатоосередкових грозах існує закономірність, коли новий осередок формується праворуч у напрямку несучого повітряного потоку в північній півкулі і зліва від напрямку несучого потоку в південній півкулі.

Енергія

Енергія, яка приводить в дію грозу, полягає в прихованій теплоті, що вивільняється, коли водяна пара конденсується і утворює хмарні краплі. На кожен грам води, що конденсується в атмосфері, вивільняється приблизно 600 калорій тепла. Коли водні краплі замерзають у верхній частині хмари, додатково вивільняється ще близько 80 калорій на грам. Прихована теплова енергія, що вивільняється, частково перетворюється в кінетичну енергію висхідного потоку. Груба оцінка загальної енергії грози може бути зроблена на основі загальної кількості води, що випала у вигляді опадів із хмари. Типовою є енергія близько 100 мільйонів кіловат-годин, що за приблизною оцінкою еквівалентно ядерному заряду в 20 кілотонн (щоправда, ця енергія виділяється у значно більшому обсязі простору та за набагато більший час). Великі багатоосередкові грози можуть володіти енергією в десятки і сотні разів більшою.

Погодні явища під грозами

Східні потоки та шквальні фронти

Східні потоки в грозах виникають на висотах, де температура повітря нижча, ніж температура в навколишньому просторі, і цей потік стає ще холоднішим, коли в ньому починають танути крижані частинки опадів і випаровуватись хмарні краплі. Повітря в низхідному потоці не тільки щільніше, ніж навколишнє повітря, але і воно несе ще горизонтальний момент кількості руху, що відрізняється від навколишнього повітря. Якщо низхідний потік виникає, наприклад, на висоті 10 км, то він досягне поверхні землі з горизонтальною швидкістю, помітно більшою, ніж швидкість вітру біля землі. У землі це повітря виноситься вперед перед грозою зі швидкістю, більшою, ніж швидкість руху всієї хмари. Саме тому спостерігач на землі відчує наближення грози потоком холодного повітря ще до того, як грозова хмара опиниться в нього над головою. Похід, що розповсюджується по землі, утворює зону глибиною від 500 метрів до 2 км з виразною відмінністю між холодним повітрям потоку і теплим вологим повітрям, з якого формується гроза. Проходження такого шквального фронту легко визначається посилення вітру та раптовому падінню температури. За п'ять хвилин температура повітря може знизитись на 5 °C або більше. Шквал утворює характерний шквальний комір з горизонтальною віссю, різким падінням температури та зміною напряму вітру.

В екстремальних випадках фронт шквалу, створений низхідним потоком, може досягти швидкості, що перевищує 50 м/с, і приносить руйнування будинкам та посівам. Найчастіше сильні шквали виникають, коли організована лінія гроз розвивається за умов сильного вітру середніх висотах. При цьому люди можуть подумати, що ці руйнування спричинені смерчем. Якщо немає свідків, які бачили характерну лійкоподібну хмару смерчу, то причину руйнування можна визначити за характером руйнувань, спричинених вітром. У смерчах руйнування мають кругову картину, а грозовий шквал, викликаний низхідним потоком, несе руйнування переважно одному напрямку. За холодним повітрям зазвичай починається дощ. У деяких випадках дощові краплі повністю випаровуються під час падіння, що призводить до сухої грози. У протилежній ситуації, характерній для сильних багатоосередкових і суперосередкових гроз, йде проливний дощ з градом, що викликає раптові повені.

Смерчі

Смерч – це сильний маломасштабний вихор під грозовими хмарами з приблизно вертикальною, але часто вигнутою віссю. Від периферії до центру смерчу спостерігається перепад тиску 100-200 гПа. Швидкість вітру в смерчах може перевищувати 100 м/с, теоретично може сягати швидкості звуку. У Росії її смерчі виникають порівняно рідко. Найбільша повторюваність смерчів посідає південь європейської частини Росії.

Зливи

У невеликих грозах п'ятихвилинний пік інтенсивних опадів може перевищувати 120 мм/год, але решта дощу має на порядок меншу інтенсивність. Середня гроза дає близько 2000 кубометрів опадів, але велика гроза може дати вдесятеро більше. Великі організовані грози, пов'язані з мезомасштабними конвективними системами можуть створити від 10 до 1000 мільйонів кубометрів опадів.

Електрична структура грозової хмари

Розподіл і рух електричних зарядів усередині і навколо грозової хмари є складним процесом, що безперервно змінюється. Тим не менш, можна уявити узагальнену картину розподілу електричних зарядів на стадії зрілості хмари. Домінує позитивна дипольна структура, в якій позитивний заряд знаходиться у верхній частині хмари, а негативний заряд знаходиться під ним усередині хмари. В основі хмари та під нею спостерігається нижній позитивний заряд. Атмосферні іони, рухаючись під дією електричного поля, формують на межах хмари, що екранують шари, що маскують електричну структуру хмари від зовнішнього спостерігача. Вимірювання показують, що в різних географічних умовах основний негативний заряд грозової хмари розташований на висотах із температурою навколишнього повітря від -5 до -17 °C. Чим більша швидкість висхідного потоку в хмарі, тим більшій висоті знаходиться центр негативного заряду. Щільність об'ємного заряду лежить у діапазоні 1-10 Кл/км³. Існує помітна частка гроз з інверсною структурою зарядів: - Негативним зарядом у верхній частині хмари і позитивним зарядом у внутрішній частині хмари, а також зі складною структурою з чотирма і більше зонами об'ємних зарядів різної полярності.

Механізм електризації

Для пояснення формування електричної структури грозової хмари пропонувалося багато механізмів, і досі ця галузь науки є сферою активних досліджень. Основна гіпотеза заснована на тому, що якщо більші та важкі хмарні частинки заряджаються переважно негативно, а більш легкі дрібні частинки несуть позитивний заряд, то просторовий поділ об'ємних зарядів виникає за рахунок того, що великі частинки падають з більшою швидкістю, ніж дрібні компоненти хмар. Цей механізм, загалом, узгоджується з лабораторними експериментами, які показують сильну передачу заряду при взаємодії частинок крижаної крупи (крупа - пористі частинки із замерзлих водяних крапель) або граду з крижаними кристалами у присутності переохолоджених водяних крапель. Знак і величина заряду, що передається при контактах, залежать від температури навколишнього повітря і водності хмари, але також і від розмірів крижаних кристалів, швидкості зіткнення та інших факторів. Можлива також дія та інших механізмів електризації. Коли величина об'ємного електричного заряду, що накопичився в хмарі, стає досить великою, між областями, зарядженими протилежним знаком, відбувається блискавковий розряд. Розряд може статися також між хмарою та землею, хмарою та нейтральною атмосферою, хмарою та іоносферою. У типовій грозі від двох третин до 100 відсотків розрядів припадають на внутрішньохмарні розряди, міжхмарні розряди чи розряди хмара – повітря. Решта - це розряди хмара-земля. В останні роки стало зрозуміло, що блискавка може бути штучно ініційована у хмарі, яка у звичайних умовах не переходить у грозову стадію. У хмарах, що мають зони електризації та створюють електричні поля, блискавки можуть бути ініційовані горами, висотними спорудами, літаками або ракетами, що опинилися в зоні потужних електричних полів.

Запобіжні заходи під час грози

Запобіжні заходи зумовлені тим, що блискавка б'є в основному в більш високі предмети. Це відбувається тому, що електричний розряд йде шляхом найменшого опору, тобто більш коротким шляхом.

Під час грози в жодному разі не можна:

перебувати біля ліній електропередач;
ховатися від дощу під деревами (особливо під високими або самотньо стоять);
плавати у водоймах (оскільки голова плавця виступає з води, крім того, вода, завдяки розчиненим у ній речовинам, має хорошу електропровідність);
перебувати у відкритому просторі, у «чистому полі», оскільки у разі людина значно виступає над поверхнею;
забиратися на височини, у тому числі на дахи будинків;
користуватись металевими предметами;
перебувати біля вікон;
їздити на велосипеді та мотоциклі;
користуватися мобільним телефоном (електромагнітні хвилі мають хорошу електропровідність).

Недотримання цих правил часто призводить до загибелі людей або отримання опіків та тяжких травм.

Гроза – що це? Звідки беруться блискавки, що розтинають все небо, і грізні гуркіт грому? Гроза – це природне явище. Блискавки, звані можуть утворюватися всередині хмар (кучово-дощових), або між хмарами. Вони, зазвичай, супроводжуються громом. Блискавки пов'язані зі зливами, шквальним вітром, а нерідко і з градом.

Активність

Гроза - це одне з найнебезпечніших Люди, уражені блискавкою, виживають лише в поодиноких випадках.

Одночасно на планеті діє приблизно 1500 гроз. Інтенсивність розрядів оцінюють у сотню блискавок за секунду.

Розвиток грози

Як воно відбувається? утворюється лише за певних умов. Обов'язково є наявність висхідних потоків вологи, при цьому має бути наявність структури, де одна частка частинок знаходиться в крижаному стані, інша - в рідкому. Конвекція, що призведе до розвитку грози, виникне у кількох випадках.

Класифікація

Грози певний час класифікувалися лише у місці спостереження. Вони поділялися, наприклад, на орфографічні, локальні, передні. Наразі грози класифікують за характеристиками, що залежать від тих метеорологічних оточень, у яких вони розвиваються. формуються через нестійкість атмосфери. Для створення грозових хмар це є основною умовою. Дуже важливими є характеристики таких потоків. Залежно від їхньої потужності та величини формуються, відповідно, різні типи грозових хмар. Як вони поділяються?

2. Багатоосередкові кластерні. Тут масштаби більші — до 1000 км. Багатоосередковий кластер охоплює групу грозових осередків, що знаходяться на різних стадіях формування та розвитку і в той же час становлять одне ціле. Як вони влаштовані? Зрілі грозові осередки розташовуються в центрі, що розпадаються - з Поперечні розміри можуть досягати 40 км. Кластерні багатоосередкові грози «дають» пориви вітру (шквальні, але не сильні), злива, град. Існування одного зрілого осередку обмежується півгодини, а ось сам кластер може «жити» кілька годин.

Швидкість пересування

Механізм електризації

Звідки беруться самі блискавки? навколо хмар і всередині них постійно рухаються. Процес цей досить складний. Найпростіше уявити картину роботи електричних зарядів у зрілих хмарах. Домінує у них дипольна позитивна структура. Як вона розподіляється? Позитивний заряд розміщується вгорі, а негативний – під ним, усередині хмари. Згідно з основною гіпотезою (цю область науки можна поки вважати малозвіданою), більш важкі та великі частинки заряджаються негативно, а дрібні та легені мають позитивний заряд. Перші падають швидше, ніж другі. Це стає причиною просторового розподілу об'ємних зарядів. Такий механізм підтверджується лабораторними експериментами. Мати сильну передачу заряду можуть частинки крижаної крупи або граду. Величина і знак залежатимуть від водності хмари, температури повітря (навколишнього), швидкості зіткнення (основні чинники). Не виключається вплив інших механізмів. Розряди відбуваються між землею та хмарою (або нейтральною атмосферою, або іоносферою). Саме в цей момент ми спостерігаємо спалахи, що розтинають небо. Або блискавки. Процес цей супроводжується гучними гуркотом (громом).

Гроза – це складний процес. На його вивчення можуть піти довгі десятиліття, а можливо навіть століття.

Блискавка – гігантський електричний розряд в атмосфері. Блискавка виникає внаслідок накопичення електричних зарядів у грозовій хмарі. Вона супроводжується яскравим світінням химерно викривленого каналу, ударною хвилею, що розповсюджується в навколишньому повітрі, що переходить на деякій відстані звукову. Акустичне прояв блискавки називають громом.

Блискавка є грізним природним явищем, що завдає шкоди людині та її майну. Ця шкода пов'язана з безпосереднім ураженням людей та тварин, пожежами у житлових та виробничих приміщеннях, вибухами небезпечних об'єктів, виникненням лісових пожеж, генеруванням потужного електромагнітного імпульсу тощо. Електромагнітний імпульс блискавки створює проблеми електромагнітної сумісності.

На Землі одночасно існує приблизно 2000-3000 грозових вогнищ і кожну секунду її поверхню вражають 100-200 ударів.

По поверхні земної кулі грози розподіляються нерівномірно. Частота їхньої освіти залежить від пори року, часу доби, рельєфу місцевості. Над сушею гроз приблизно вдесятеро більше, ніж над океанами. У вечірні та нічні години гроз більше, ніж удень. У середніх широтах північної півкулі грози здебільшого бувають з травня до вересня. Цей період називають грозовим сезоном. Взимку грози виникають порівняно рідко.

У середніх широтах землю вражають 30-40% загальної кількості блискавок, решта 60-70% складають розряди між хмарами або між різноіменно зарядженими частинами хмар. Відповідно вище та області концентрації зарядів у хмарах, тому розряди в землю становлять ще меншу частину.

Інтенсивність грозової діяльності у будь-якій місцевості характеризується середнім числом грозових годин на рік. Число грозових годин мінімально у високих широтах і поступово збільшується до екватора, де підвищена вологість повітря та висока температура, що сприяють утворенню грозових хмар, спостерігаються практично протягом усього року

У деяких районах (Вірменія, Краснодарський кран, Донбас, Карпати) річна кількість грозових годинників досягає 100 і більше,

У ряді країн користуються іншою, менш зручною характеристикою грозової діяльності: річною кількістю грозових днів (а не годин) За даними Всесвітньої метеорологічної організації в Центральній Африці спостерігається до 180 грозових днів на рік, у Малайзії, Перу, на Мадагаскарі - до 140 днів, Бразилії, Центральна Америка - 100-120 днів.

Для практичних завдань блискавкозахисту наземних споруд важлива питома щільність ударів блискавки у грішну землю, тобто. річне число ударів на 1 км 2 земної поверхні. В межах річної тривалості гроз до год питома щільність ударів блискавки в землю практично прямо пропорційна Це дозволило прийняти у Росії поруч із питомою щільністю ударів блискавки іншу характеристику грозової діяльності: середнє число ударів блискавки 1 км 2 поверхні землі за 100 грозових годин.

Мал. 9.1. Залежність питомої кількості ударів блискавки за 1 км 2 площі Землі від числа грозових днів на рік (штриховими лініями обмежена область розкидів за даними спостережень)

Якщо інтенсивність грозової діяльності виражена річним числом грозових днів, то питома щільність розрядів в 1 км 2 поверхні за число грозового годинника на рік можна оцінити за рис. 9.1. Однак слід мати на увазі, що при тому самому значенні питома щільність ударів блискавки в землю схильна до значних розкидів внаслідок впливу рельєфу місцевості та кліматичних умов.

Для території нашої країни . Чим більша кількість грозових днів на рік, тим триваліша гроза. З цього випливає, що залежність нелінійна, і тому не можна характеризувати грозову діяльність просто числом ударів блискавки в 1 км 2 поверхні землі за 100 годин.

Об'єкти, що височіють над поверхнею землі, внаслідок розвитку з них зустрічних лідерів збирають удари блискавки з площі, що перевищує займану територію. Однак, прийнявши , можна оцінити кількість ударів блискавки за 100 грозових годин у спорудження завдовжки А, шириною Ута заввишки Н(розміри в метрах) за формулою