Дистанционный способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов в режиме реального времени
Владельцы патента RU 2580375:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения зон возможного обледенения воздушных судов в режиме реального времени. Согласно заявленному способу проводится регистрация фактических значений вертикального профиля температуры приземного слоя атмосферы n раз при помощи наземного температурного профилемера, который устанавливают в заданном районе наблюдения, а по данным наземных наблюдений определяют приземное значение относительной влажности воздуха, приземное значение температуры точки росы и значение высоты нижней кромки облачности. Затем осуществляют математическую обработку метеорологических данных, используя для расчетов формулу Годске или метод, который предложен в NCEP. Способ может быть использован в первую очередь на аэродромах, где отсутствует регистрация фактических значений вертикальных профилей температуры и влажности воздуха. Технический результат - повышение достоверности определения обледенения воздушных судов. 3 ил.
Изобретение относиться к области метеорологии и может быть использовано для определения зон возможного обледенения воздушных судов в режиме реального времени.
Хорошо известно, что наиболее часто обледенение происходит при отрицательных температурах в чисто капельных переохлажденных облаках и в зоне переохлажденного дождя, мокрого снега, мороси и т.п. под облаками. Сравнительно редко обледенение воздушного судна происходит также при отрицательных температурах и при непосредственной сублимации водяного пара [А.С. Зверев. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометоиздат, 1977]. Таким образом, при определении пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов в режиме реального времени необходимо контролировать профиль температуры и влажности. Для определения зон, где наиболее часто происходит обледенение воздушных судов в режиме реального времени, необходимо дополнительно контролировать облачность и осадки.
Известен способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов, который включает измерение метеорологических величин: по данным наземных наблюдений определяют приземные значения относительной важности воздуха, температуры точки росы и значение высоты нижней кромки облачности: при помощи запускаемых два раза в сутки радиозондов проводят регистрацию фактических значений вертикальных профилей температуры. Возможность возникновения обледенения определяется по методу Годске или методу, который предложен в NCEP.
В случае метода Годске [А.М. Баранов, С.В. Солонин, Авиационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1981] знание вертикальных профилей температуры и температуры точки росы, которая характеризует влажность воздуха, позволяет рассчитать пространственные зоны вероятного обледенения воздушных судов по формуле
где T(z) - температура на высоте z, Td(z) - температура точки росы на высоте z.
Величина -8·{T(z)-Td(z)} есть температура насыщения по отношению ко льду.
Для метода, предложенного в NCEP [Thompson G., Bruintjes R.T., Brown B.G., Hage F., 1997: Intercomparison of in-flight icing algorithms. Part 1: WISP94 real-time icing prediction and evaluation program. Weather and Forecasting, v. 12, pp. 848-889.], пространственные зоны вероятного обледенения воздушных судов определяются с помощью неравенств
где RH(z) - относительная влажность на высоте z.
Таким образом, формулы (1) и (2) являются основой при определении пространственных зон возможного обледенения как в чисто капельных переохлажденных облаках и в зоне переохлажденного дождя, мокрого снега, мороси и.т.п. под облаками, так и при непосредственной сублимации водяного пара.
Первый недостаток - это то, что запуск радиозонда производится в ряде аэропортов только два раза в сутки. Такая периодичность запуска радиозонда исключает диагностику приземного слоя в режиме реального времени в пределах аэропорта. Вторым недостатком является привязка к станциям, которые выполняют аэрологические наблюдения. Зачастую основная часть авиационных метеорологических подразделений аэропортов РФ не имеет в своих пределах такой вид наблюдений и в своей практике используют ближайшие, что является уже не фактическим определением состояния атмосферы на данной территории, а прогнозом этого состояния.
Таким образом, известный способ определения зон возможного обледенения имеет низкое пространственно-временное разрешение и требует наличия аэрологических измерений на территории, где необходим контроль обледенения.
Задачей, на решение которой направленно данное техническое решение, является своевременное обнаружение зон возможного обледенения в приземном слое атмосферы при наземном базировании устройств, измеряющих метеорологические величины. Технический результат - достоверность фактических значений возможного обледенения воздушных судов при высоком пространственно-временном разрешении на определенной территории.
Задача решается следующим образом. Как и в прототипе по данным наземных наблюдений определяют приземные значения относительной влажности воздуха, температуры точки росы и значение высоты нижней кромки облачности. Регистрируют фактические значения вертикальных профилей температуры. Затем осуществляют математическую обработку полученных метеорологических данных наблюдений по формуле Годске. В этом случае рассчитывают температуру насыщения по отношению ко льду, и если она оказалась выше температуры окружающего воздуха, то на этом уровне следует ожидать обледенение. Или осуществляют расчет, используя способ, разработанный в NCEP, тогда зонами возможного обледенения считают зоны, где выполняются неравенства -16°C≤T(z)≤0°C и RH(z)≥63%, после чего строят графики распределения вероятных зон обледенения по высоте в районе наблюдения.
В отличие от прототипа регистрацию фактических значений вертикального профиля температуры приземного слоя атмосферы осуществляют n раз при помощи наземного температурного профилемера, который устанавливают в заданном районе наблюдения, затем осуществляют математическую обработку метеорологических данных.
В случае расчетов по методу Годске необходимыми наблюдениями являются измерения вертикального профиля температуры T(z), высоты нижней кромки облачности H, приземного значения температуры точки росы Td(0)=Td,0. Профиль температуры точки росы восстанавливается по данным наблюдений по формуле:
В случае расчетов по методу, предложенному в NCEP, необходимыми наблюдениями являются измерения профиля температуры T(z), высоты нижней кромки облачности H, приземного значения относительной влажности RH(0)=RH,0. Профиль относительной влажности восстанавливается по данным наблюдений по формуле:
Таким образом, пространственные зоны возможного обледенения определяются путем использования формул (1) и (3) или формул (2) и (4) как в чисто капельных переохлажденных облаках; и в зоне переохлажденного дождя, мокрого снега, мороси и.т.п. под облаками, так и при непосредственной сублимации водяного пара.
Выражения (3) и (4) получены из следующих соображений. Линейная аппроксимация профилей влажности для высот z≤H имеет вид
Неизвестные коэффициенты a T, bT, a H, bH в уравнениях (5) и (6) определяются из граничных условий при z=0 и z=H:
В результате имеем следующие уравнения на неизвестные коэффициенты
Из уравнений (10)-(12) непосредственно следует линейная аппроксимация профилей влажности (3) и (4).
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1 - Суточные вариации вертикального профиля температуры 10-11.10.2012, полученные с помощью метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ;
фиг. 2 - Суточные вариации приземных значений метеопараметров 10-11.10.2012 (данные измерений аэродромной метеорологической службы);
фиг. 3 - Пространственные зоны вероятного обледенения воздушных судов в период 10-11.10.2012, которые определены путем математической обработки: а - Методом Годске, б - Методом, предложенным в NCEP.
Способ осуществляется следующим образом.
Измерения профиля температуры T(z) осуществлялись в аэропорту г. Томска (аэропорт Богашево). В аэропорту отсутствует регистрация фактических значений вертикальных профилей температуры, влажности воздуха. Измерения проводились в нижнем километровом слое 10 октября и 11 октября 2012 г. с помощью наземного метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ (покупное изделие). Нижняя кромка облачности H, приземное значение температуры точки росы Td(0)=Td,0 и приземное значение относительной влажности RH(0)=RH,0 определялись наземными приборами аэродромной метеорологической станции АМИС-РФ. Периодичность измерений профиля T(z) осуществлялась раз в десять минут, а данные с приборов АМИС-РФ поступали через час, поэтому временное разрешение предлагаемого способа во время проведения эксперимента равно одному часу. В период проведения эксперимента аэродромная метеорологическая служба фиксировала (согласно сообщениям с воздушных судов) обледенение на высоте 1000 м с 22.00 UTC 10 октября по 00.30 UTC 11 октября 2012 г.
На фиг. 1 представлены результаты измерений профиля температуры, полученные в аэропорту Богашево за периоды с 22.00 по 24.00 UTC 10 октября и с 00.00 по 22.00 UTC 11 октября 2012 г. с помощью наземного метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ. Данные измерений аэродромной метеорологической службы, необходимые для расчета пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов, за те же периоды показаны на фиг. 2.
Результаты расчета пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов представлены на фиг. 3 за периоды с 22.00 по 24.00 UTC 10 октября и с 00.00 по 22.00 UTC 11 октября 2012 г. Черным цветом показаны зоны вероятного обледенения в облаках, темно серым цветом - в зоне мокрого снега, светло серый цвет соответствует зонам непосредственной сублимации водяного пара. Данные результаты были получены на основе формул (1), (3) и (2), (4), соответственно для метода Годске (левый график - а) и метода, предложенного в NCEP (правый график - б), а также с использованием данных измерений профиля температуры и приземных значений метеопараметров, полученных в аэропорту Богашево показанных на фиг. 1 и 2.
Из фиг. 3 видно, что зоны вероятного обледенения в облаках в период с 22.00 UTC 10 октября по 00.30 UTC 11 октября 2012 г. совпадают с реальным обледенением воздушного судна на высоте 1000 м, информация о которой поступала с воздушных судов. В другой период, а также на других высотах отсутствуют записи в журнале аэродромной метеорологической службы о фактическом обледенении, несмотря на то что метеорологическая ситуация в аэропорту способствовала обледенению как в облаках и мокром снеге, так и в зонах непосредственной сублимации водяного пара. Метод Годске и метод, предложенный в NCEP, дают разные данные. Совместное их использование позволяет компенсировать недостатки, присущие каждому из них, и обеспечить существенное повышение информативности. Выбор окончательного решения о вероятности обледенения воздушного судна зависит от конкретных Приложений к Конвенции о международной гражданской авиации.
Таким образом, оперативные испытания показали, что разработанный Дистанционный способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов в режиме реального времени обеспечивает высокую достоверность фактических значений возможного обледенения воздушных судов при высоком пространственно-временном разрешении на определенной территории за счет получения принципиально новых возможностей при наземном базировании профилемера. Предлагаемый способ обеспечивает определение фактических значений возможного обледенения воздушных судов как в чисто капельных переохлажденных облаках, в зоне переохлажденного дождя, мокрого снега, мороси и т.п. под облаками, так и при непосредственной сублимации водяного пара.
Способ может быть использован в первую очередь на аэродромах, где отсутствует регистрация фактических значений вертикальных профилей температуры и влажности воздуха
Дистанционный способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов в режиме реального времени, по которому осуществляют регистрацию фактических значений вертикальных профилей температуры, а по данным наземных наблюдений определяют приземные значения относительной влажности воздуха, температуры точки росы и значения высоты нижней кромки облачности, затем осуществляют математическую обработку полученных метеорологических данных наблюдений по формуле Годске, рассчитывая температуру насыщения по отношению ко льду, и если она оказалась выше температуры окружающего воздуха, то на этом уровне следует ожидать обледенение, или осуществляют расчет, используя способ, разработанный в NCEP, тогда зонами возможного обледенения считают зоны, где выполняются неравенства -16°С≤T(z)≤0°С и RH(z)≥63%, после чего строят графики распределения вероятных зон обледенения по высоте в районе наблюдения, отличающийся тем, что регистрацию фактических значений вертикального профиля температуры приземного слоя атмосферы осуществляют n раз в сутки при помощи наземного температурного профилемера, который устанавливают в заданном районе наблюдения, затем для расчета по формуле Годске восстанавливают профиль температуры точки росы по формуле:
z≤H в облаках
где Td(z) - температура точки росы на высоте z,
Td,0 - приземное значение температуры точки росы,
Т(H) - температура на высоте Н, измеренная профилемером,
H - высота нижней кромки облачности,
а для расчета по способу, разработанному в NCEP, восстанавливают профиль относительной влажности по формуле:
z≤H в облаках
где RH(z) - относительная влажность на высоте z,
RH,0 - приземное значение относительной влажности,
H - высота нижней кромки облачности.
