Результаты экспериментальных регистраций грозовой активности на Кольском полуострове

В 2013 г. Центром физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН начата опытная регистрация грозовой деятельности, целью которой является определение плотности разрядов молний на территории Кольского полуострова и прилегающих территориях [1], [2].

К особенностям Кольского региона можно отнести сложность реализации требований к исполнению грозозащитных мероприятий, таких как заземляющие устройства и тросовая защита, из-за низкой проводимости грунта. Интенсивность грозовой деятельности принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемым как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности. Грозовая деятельность для данного региона по нормативным документам [3], [4] оценивается как низкая – от 20 до 30 грозовых часов для южной части региона и менее 10 для центральной и северной части (рис. 1). По данным эксплуатации грозовая активность может меняться от 10 до 45 грозовых часов в году [1]. При этом отмечается значительная неравномерность среднего числа грозовых отключений ЛЭП 110–330 кВ в регионе, что можно объяснить либо неравномерностью распределения разрядов молнии, либо различиями эффективности грозозащиты линий. Поэтому Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра (ЦФТПЭС КНЦ) РАН начал проводить исследования характеристик грозовой деятельности на территории Кольского региона.

Рис. 1. Карта распределения грозовых часов на территории Кольского полуострова по ПУЭ и РД

Характеристика средств регистрации

В лаборатории ЦФТПЭС установлена система StormTracker канадской фирмы Boltek, которая предназначена для обнаружения атмосферных электрических разрядов (молний) на удалении до 480 км от места расположения базовой станции. Регистрация разрядов молний происходит круглосуточно в автоматическом режиме посредством программного обеспечения (ПО) NexStorm Lite фирмы Astrogenic, идущего в комплекте с системой StormTracker. Зарегистрированные события отображаются на карте в полярной системе координат, центром которой является г. Апатиты. Похожие системы длительное время функционируют в некоторых регионах России [5], [6], а также во многих странах мира [7]. В лаборатории ЦФТПЭС стандартное ПО используется исключительно для регистрации разрядов молний. Для обработки полученных результатов используются собственные программные разработки [8], [9].

Результаты регистрации в 2013 г.

По результатам регистраций длительность грозового сезона 2013 г. составила 100 дней. Начало сезона для Мурманской области определилось первой грозой 4 июня. Последняя гроза в области зарегистрирована 12 сентября. Статистические данные грозового сезона 2013 г. приведены в табл. 1.

Таблица 1

Статистика грозовых разрядов по месяцам 2013 г.

Период	Разряды молнии на землю		Междуоблачные разряды
	CG+      \	CG–	IC+         \	IC–
Сезон	Всего разрядов молнии – 36 233 (100 %)
	7 961 (22 %) / (100 %)		28 272 (78 %) / (100 %)
	3 124	4 837	13 676	14 596
	39,2 %	60,8 %	48,4 %	51,6 %
Июнь c 4 по 30	Всего разрядов молнии – 12 749 (100 %)
	954	1 910	4 364	5 521
	7,5 %	15,0 %	34,2 %	43,3 %
Июль	Всего разрядов молнии – 17 573 (100 %)
	1 455	2 380	7 440	6 298
	8,3 %	13,5 %	42,3 %	35,9 %
Август	Всего разрядов молнии – 5 202 (100 %)
	668	492	1 585	2 457
	12,8 %	9,5 %	30,5 %	47,2 %
Сентябрь с 1 по 12	Всего разрядов молнии – 709 (100 %)
	47	55	287	320
	6,6 %	7,8 %	40,5 %	45,1 %

Как видно из табл. 1, число наземных разрядов составляет всего 22 % от общего числа разрядов. В среднем менее 40 % наземных разрядов имеет положительную полярность, что значительно превышает средний показатель 10 % [10].

По результатам регистраций 2013 г. с использованием ранее разработанного программного обеспечения построена карта территориального распределения грозовых разрядов (рис. 2). Карта разбита на 900 ячеек – 30 по вертикали и 30 по горизонтали. Такой формат выбран для наиболее комфортного визуального представления данных. Площадь каждой ячейки составляет 711 км ² (квадрат со стороной 26,6 км). На карте показано число ударов молнии на землю (в пределах одной ячейки) за весь грозовой сезон.

Результаты регистрации показали значительную неравномерность распределения грозовых разрядов (от 0 до 18 ударов в ячейку). Основные зоны активности расположены в горном массиве Хибины и в северовосточной части Кольского полуострова, а также прилегающей акватории Баренцева моря. Высокая грозовая активность наблюдается в северной части Финляндии – в районе Рованиеми и Соданкюля.

Для определения числа грозовых часов и построения карты распределения грозовых часов разработан алгоритм, схематично представленный на рис. 3. Согласно алгоритму, для определения числа грозовых часов в области, разбитой на ячейки, предпринимаются следующие действия.

• -    В качестве исходных данных берется массив событий (разрядов в землю), зарегистрированных за грозовой сезон. Все события содержат координаты и время. Каждое следующее событие новее предыдущего.

• -    Начинается перебор событий от первого до последнего из массива.

• -    Начинается перебор ячеек для проверки совпадения координат события и ячейки.

• -    Проверяется условие попадания события в ячейку. Если событие не принадлежит ячейке, то осуществляется переход к следующей ячейке. Если событие принадлежит ячейке, то выполняется следующий пункт.

• -    Проверяется условие существования в ячейке записи о времени. Если запись о времени присутствует, то проверяется временной диапазон между временем ячейки и временем события. Если этот диапазон меньше, чем 1 час, то осуществляется переход к следующему событию. Если же в ячейке нет записи о времени или диапазон больше, чем 1 час, ячейке присваивается время события и значение грозового часа для ячейки увеличивается на 1.

Так формируется область ячеек, которые отражают с заданной точностью карту грозовых часов исследуемой области. Если предположить, что массив состоит из одной ячейки, а не из 900, то очевидно, что все события попадут в эту ячейку. Если использовать предположение "о единственности ячейки", то в 2013 г. общее число грозовых часов по Мурманской области составляло 94.

Рис. 2. Территориальное распределение грозовых разрядов в 2013 г.

Следует отметить, что одна ячейка не покажет какую-либо территориальную достоверность, но покажет ситуацию в исследуемой области в целом. Поэтому карты грозовых часов исследуемой области для повышения достоверности следует представлять в виде массива ячеек с заданной точностью. При этом следует учитывать, что при построении карты в качестве разряда принимались лишь разряды в землю. При учете всех разрядов, включая междуоблачные, количество грозовых часов нужно увеличить в среднем в 3 раза.

Y больше, чем IM?

X больше, чем М?

СобытиеY попало в ячейку X

У ячейки X есть запись о времени

Разница во времени ячейки X и события \

Увеличить Y на 1 (т.е. переход к следующему событию)

= 1

III

Коллер ячейки X in ин

Увеличить X на 1 (т.е. переход к следующей ячейке)

Вывод значений ячеек in

Li

Для ячейки X

– увеличить значение грозовых часов на 1;

– назначить запись о времени в соответствии с временем события Y

Начальные условия: N - число событий; Y- номер события; М - число ячеек;

X - номер ячейки; Обнуление ячеек

Коллер события Y = 1

Рис. 3. Алгоритм для определения числа грозовых часов для области, разбитой на ячейки

С использованием предложенного алгоритма получена соответствующая карта распределения грозовых часов (рис. 4) для Мурманской области по результатам регистрации 2013 г.

Рис. 4. Территориальное распределение грозовых часов в 2013 г.

Как видно, число часов по результатам регистраций в 2013 г. существенно отличается от данных ПУЭ и РД.

Результаты регистрации в 2014 г.

Грозовой сезон 2014 г. определился началом гроз 13 мая и завершением 4 сентября, длительность составила 113 дней. Следует отметить редкое явление – образование грозы 6-7 марта в северо-восточной и восточной части Кольского полуострова, которая началась в 8 часов и продолжалась 34 часа. За время этой грозы зарегистрировано 186 разрядов, из них 13 (7 % от общего числа) разрядов в землю. Статистические данные грозового сезона 2014 г. приведены в табл. 2.

Таблица 2

Статистика грозовых разрядов по месяцам 2014 г.

Период	Разряды молнии на землю		Междуоблачные разряды
	CG+	CG–	IC+	IC–
Сезон	Всего разрядов молнии – 98 233 (100 %)
	32 282 (32,9 %) / (100 %)		65 951 (67,1 %) / (100 %)
	8 993	23 289	31 370	34 581
	27,8 %	72,2 %	47,6 %	52,4 %
Май с 13 по 31	Всего разрядов молнии – 3 324 (100 %)
	249	551	1249	1275
	7,5 %	16,6 %	37,6 %	38,3 %

Июнь	Всего разрядов молнии – 27 904 (100 %)
	2437	6 520	7 523	11 424
	8,7 %	23,4 %	27,0 %	40,9 %
Июль	Всего разрядов молнии – 43 090 (100 %)
	3 785	11 605	14 312	13 388
	8,8 %	26,9 %	33,2 %	31,1 %
Август	Всего разрядов молнии – 23 676 (100 %)
	2 482	4 607	8 243	8 344
	10,5 %	19,4 %	34,8 %	35,3 %
Сентябрь с 1 по 4	Всего разрядов молнии – 239 (100 %)
	40	6	43	150
	16,7 %	2,5 %	18,0 %	62,8 %

Как видно из табл. 2, в 2014 г. относительное число наземных разрядов увеличилось до 32,9 %. При этом число наземных разрядов с положительной полярностью составило около 28 %.

Таким образом, регистрации 2013 и 2014 гг. показывают необходимость выполнения дополнительной оценки эффективности молниезащиты при ударах молнии положительной полярности.

По результатам регистраций 2014 г. построена карта территориального распределения грозовых разрядов (рис. 5). Для сопоставимости с предшествующими регистрациями рассматриваемая область карты грозового сезона 2014 г. имеет идентичную с картой 2013 г. характеристику.

Рис. 5. Территориальное распределение грозовых разрядов в 2014 г.

Результаты регистрации также показали значительную неравномерность распределения грозовых разрядов (от 0 до 221 ударов в ячейку), но при сравнении с результатами 2013 г., прослеживаются ярко выраженные очаги повышенной концентрации грозовых разрядов в районе горного массива Хибины, а также в северной, северо-восточной части Кольского полуострова.

Так же, как и в 2013 г., отмечается высокая концентрация распределения разрядов в акватории Баренцева моря на северо-востоке Мурманской области, что можно объяснить столкновением холодного арктического фронта с теплым течением Гольфстрим.

По результатам регистрации 2014 г. построена карта грозовых часов (рис. 6) для Мурманской области.

На карте распределения грозовых разрядов на землю видно, что наибольшая интенсивность молний наблюдалась в районе горного массива Хибины (порядка 1 000 разрядов), а также в северной, северовосточной части Кольского полуострова (порядка 5 000 разрядов). Количество разрядов в 2014 г. на этих участках почти в 5 раз превышает аналогичные показатели 2013 г.

Рис. 6. Территориальное распределение грозовых часов в 2014 г.

Анализ и сравнение результатов регистраций 2013 и 2014 гг.

По результатам регистраций построены графики изменений грозовой активности в грозовом сезоне (по месяцам), которые приведены на рис. 7. Здесь показано распределение по месяцам полного числа грозовых разрядов, наземных и междуоблачных разрядов. Число разрядов Р мес дано в относительных единицах (по отношению к общему числу разрядов за грозовой сезон).

Для двух рассмотренных грозовых сезонов характерно следующее: интенсивность грозовой деятельности в Мурманской области возрастает от мая до июля. С июля интенсивность уменьшается и к середине сентября грозовая активность прекращается. Однако в августе 2013 г. интенсивность разрядов молний (как в землю, так и междуоблачных) резко уменьшилась, тогда как в августе 2014 г. уменьшение интенсивности такое же плавное, как и увеличение в июне.

При изучении региональных особенностей грозовой активности может представлять интерес соотношение наземных и между облачных разрядов, а также деление их на разряды отрицательной и положительной полярности. Для этого на рис. 8 дано распределение числа наземных ( Pcg ) и междуоблачных (P ic ) разрядов относительно полного числа разрядов за месяц. Здесь же показано деление наземных разрядов на разряды положительной ( Pcg+ ) и отрицательной ( Pcg– ) полярности.

2013 год

2014 год

Рис. 7. Распределение по месяцам разрядов относительно всех разрядов

2013 год

2014 год

Рис. 8. Распределение разрядов по месяцам относительно разрядов за месяц

Из зависимостей на рис. 8 отчетливо видно преобладание междуоблачных разрядов в любом месяце грозовой активности. Особенностью данных регистрации является увеличение в конце грозового сезона относительного числа разрядов положительной полярности, что противоречит общепринятым данным [10].

Заключение

Регистрация грозовой деятельности в 2013–2014 гг. показала ярко выраженные очаги повышенной плотности разрядов молний на территории Кольского полуострова, прилегающих территорий и акватории. Выявлено значительное увеличение (в 2,7 раза) числа разрядов молний в 2014 г. по отношению к 2013 г.

Из-за ощутимой неоднородности распределения грозовых часов и плотности грозовых разрядов на землю по территории региона при проектировании молниезащитных мероприятий справедливо использовать полученные карты распределения плотности разрядов молнии на землю вместо устоявшегося применения общего числа грозовых часов по региону, описанных в ПУЭ и РД.

Выявлены региональные особенности деления разрядов молнии на разряды отрицательной и положительной полярности, а также распределения числа разрядов в течение грозового сезона.