CC BY
4УДК 551.5
Животворев А.С.
начальник смены - инженер метеогруппы Вооружённые силы Российской Федерации (г. Сызрань, Россия)
Драбо А.И.
канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической гидрометеорологии Вооружённые силы Российской Федерации (г. Воронеж, Россия)
Пигарев А.Е.
канд. геогр. наук, доцент кафедры теоретической гидрометеорологии Вооружённые силы Российской Федерации (г. Воронеж, Россия)
ОЦЕНКА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ В ПОДОБЛАЧНОМ СЛОЕ
Аннотация: в работе приведена оценка горизонтальной дальности видимости в подоблачном слое атмосферы на основе различных типов оптических моделей атмосферы. Приведен расчет горизонтальной дальности видимости на модельных примерах и оценка полученных результатов.
Ключевые слова: авиационно-технические системы горизонтальная дальность видимости, типы оптических моделей, поверхность земли.
Диагностическая и прогностическая информация о видимости в атмосфере имеет большое значение как в вопросах авиационной безопасности, так и в вопросах управления метеозависимыми авиационно-техническими
системами (АТС), представляющими собой сложные комплексы вида «человек - техника - природная среда». В АТС природа рассматривается в качестве противника, оказывающего бессознательное сопротивление выполнению поставленных задач. Сложность управления АТС обусловлена стохастичностью влияния на них погодных условий, часто ухудшающих дальность видимости. Существуют несколько видов видимости в атмосфере. Так, посадочная видимость входит в понятие минимума погоды командира экипажа, который определяет способность летчика совершить посадку на данном аэродроме [3]. На основе предельных значений горизонтальной (метеорологической оптической) дальности видимости выписываются штормовые предупреждения. Дальность видимости на взлетно-посадочной полосе и высота принятия решения необходима при выполнении полетов в условиях категорированных минимумов и.т.д.
Существующие способы диагноза и прогноза видимости во многом основаны на использовании метеорологических выборок, то есть используют статистические связи между случайными величинами, когда одному значению вектора предикторов соответствует целое распределение предиктанта. Особенность использования архивных метеорологических данных сопряжена с необходимостью выполнения требования репрезентативности. Только при выполнении этого условия разработанный способ прогноза предположительно даст адекватные результаты при его практическом использовании. Кроме того, необходим учет местных физико-географических особенностей района базирования и горизонт прогноза.
В качестве альтернативы методам математической статистики в работе предлагается использование метода математического моделирования для изучения распределения видимости по высоте. Выводы, полученные на его основе, позволят обобщить информацию о видимости на конкретные метеорологические условия в пункте базирования с целью их учета в процессе управления метеозависимыми АТС.
Как показано в [1], распределение горизонтальной видимости по высоте можно описать полиномом второй степени вида:
8Ш = АН2 + БН + С, (1)
где Бмн - метеорологическая оптическая дальность видимости (МОДВ) на высоте Н, А, Б, С - коэффициенты полинома.
Если к = 0, то Бмк = С - МОДВ (горизонтальная видимость) у поверхности земли в метрах, определяемая на метеостанции.
На основе исследований [1, 2] установлены несколько ТОМ вертикального распределения горизонтальной метеорологической оптической дальности видимости в подоблачных слоях и в адвективном тумане (рис. 1).
1 - под слоистыми облаками высотой 150 м и менее; 2 - то же выше 150 м;
3 - под слоисто-кучевыми облаками высотой 200-400 м; 4 - то же выше 400 м Рис. 1. Кривые распределения горизонтальной МОДВ под слоистыми и слоисто-кучевыми облаками
I ТОМ характеризуется наиболее быстрым ухудшением МОДВ (кривая 1
на рис. 1) при высоте слоистых облаков 150 м и менее, подоблачная дымка почти во всех случаях достигает поверхности земли. Этот тип распределения видимости аппроксимирован выражением [1]
о _ 0,24SMо + \,55SMH 2 1,24SM0 + 0,55мн
SMh =-9-h--7j-h + SM0 • (2)
H2 H
II ТОМ при высоте слоистых облаков более 150 м (кривая 2 на рис. 1) характеризуется относительно медленным уменьшением видимости при увеличении высоты в приземном слое атмосферы. Этот тип распределения видимости аппроксимирован выражением
4ЬМН - 0,84£мо 2 З^мн + 0,16м0 ЬМк =-9-к--7}-к + ЬМ0. (3)
н2 н
В выражениях (2) и (3) Ь'мн - МОДВ на нижней границе облаков Н. В работе [1] показано, что Ьмн = 80 м.
Существуют и другие ТОМ, но наиболее подробно изучены I и II ТОМ. Их характеристики представлены таблице 1 [1].
Таблица 1. Характеристика I и II ТОМ
Тип ОМ Характеристика изменения горизонтальной МОДВ в зависимости от высоты Облака, туман, видимость Сопровождающие явления погоды и параметры атмосферы
I Быстрое и непрерывное уменьшение горизонтальной МОДВ от поверхности земли до НГО или до плотной части тумана Слоистые облака H < 150 м, So < 3км Дымка, морось, мелкий снег, снежные зерна. Относительная влажность у поверхности земли / > 95 %, скорость ветра не более 6 м/с
Адвективный туман; частично фронтальный туман Морось, мелкий снег, относительная влажность близка или равна 100 %. Скорость ветра не более 9 м/с
II Медленное уменьшение горизонтальной МОДВ вблизи поверхности земли, затем быстрое -при приближении к НГО Слоистые (слоисто-кучевые) облака 150 < H < 200 м, 1 < So < 4 км Дымка, морось, мелкий снег, снежные зерна. Преобладающие значения относительной влажности 91 < _ / < 96 %. Скорость ветра не более 8 м/с
Из этой таблицы видно, что с этими моделями связаны наиболее сложные летно-метеорологические условия, учет которых особенно важен на всех этапах выполнения полетов. В данной работе моделирование дальности видимости проведено для I ТОМ.
Для численного моделирования горизонтальной дальности видимости на высоте полета И для I ТОМ воспользуемся выражением (2), у которого коэффициенты А, В и С соответственно равны.
0,24£м 0 - 1,5ЬМН . р _ 1,24ЬМ 0 + 0,5ЬМН . г_а
А =-9-; Б =----; С = ЬМ0•
Н Н
Рассмотрены три случая.
1) У земли наблюдаются следующие условия: высота нижней границы облачности (ВНГО) Н= ННГО = 120 м, дальность видимости БМ0 = 2000 м (120x2000). Тогда значения коэффициентов
=0,24•2000-1,5•80=0042, Б = 1,24■2000+0,5■80 1202 ' ' 120 "
С учетом этого модель (1) для условий погоды у поверхности земли 120x2000 можно переписать в следующем виде
ЬММН(120x2000) = 0,042к2 - 21,0Н + 2000. (2)
От поверхности земли до ВНГО через каждые 10 метров рассчитаны значения БМИ по формуле (4) и построен соответствующий график (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость дальности видимости от высоты в подоблачном слое при адвективном процессе (120x2000)
Для оценки динамики изменения видимости рассчитан градиент види -мости на каждые 10 метров высоты и построен график (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость градиента дальности видимости от высоты в подоблачном слое при адвективном процессе (120x2000)
2) У земли наблюдаются следующие условия: высота нижней границы облачности Н = ННГО = 100 м, дальность видимости £М0 = 1000 м. Тогда значения коэффициентов
А 0,24-1000 -1,5 • 80 „ 1,24-1000 + 0,5 • 80 1ПО А =---= 0,036; В =--= -12,8.
1002 100
С учетом этого модель (1) для условий погоды у поверхности земли 100*1000 можно переписать в следующем виде:
4^(100x1000) = 0,036й2 - 12'8А +1000 • (5)
От поверхности земли до ВНГО через каждые 10 метров рассчитаны значения Бмн по формуле (5) и построен соответствующий график (рис. 4).
1ЛЛЛ -----............... _. ............
900 -
^ 800 -
о 700 -
о я 600 - -
Л 500 н
£ 400 -
О Я 400 -
►л л/и П 200 -
100 -
Л -
0 10 20 30 •ЫС01 40 га в п 50 одоб 60 лачн 70 ом с: 80 юе, 90 100 4 !й,Ф—! 110
Рис. 4. Зависимость дальности видимости от высоты в подоблачном слое при адвективном процессе (100x1000)
Для оценки динамики изменения видимости рассчитаем градиент видимости на каждые 10 метров высоты (рисунок 5).
Рис. 5. Зависимость градиента дальности видимости от высоты в подоблачном слое при адвективном процессе (100x1000)
3) У земли наблюдаются следующие условия: высота нижней границы облачности Н = Ннго = 80 м, дальность видимости 5Мо = 800 м. Тогда значения коэффициентов
024^00-15^ 1,24• 800 + 0,5• 80 _
A — ^ — 0,049, B — — 12,9.
80
2
80
С учетом этого модель (1) для условий погоды у поверхности земли 100^1000 можно переписать в следующем виде:
SM(80x800) — 0,049h2 -12,9h + 800 • (6)
От поверхности земли до ВНГО через каждые 10 метров рассчитаны значения 8мн по формуле (6) и построен соответствующий график (рисунок 6).
800 700
я;
£ 600
§ 500 §
ё 400
I 300
1 200 1=1
100 о
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Высота в подоблачном слое, м
Рис. 6. Зависимость дальности видимости от высоты в подоблачном слое при адвективном процессе (80x800)
Для оценки динамики изменения видимости рассчитан градиент видимости на каждые 10 метров высоты (рис. 7).
130 3 120 ^ 110 | 100
I 90
£
Е 80
и
§ 70
ОС 60
50
0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 Слои атмосферы, м
Рис. 7. Зависимость градиента дальности видимости от высоты в подоблачном слое при адвективном процессе (80x800)
Таким образом, в результате численного моделирования дальности видимости на высоте к для I ТОМ можно отметить следующее.
1. В рассмотренной оптической модели во всех случаях видимость ухудшается при уменьшении высоты к, у поверхности земли она равна горизонтальной дальности видимости, определенной по метеорологическим
данным
2. Видимость с высотой во всех рассмотренных случаях изменяется по степенному, а градиент видимости - по линейному закону.
3. Наиболее сложные условия (80x800 и 100x1000) характеризуются меньшими значениями градиента видимости, что указывает на малую изменчивость видимости по высоте в условиях адвективного тумана. При условиях погоды 120x2000 динамика изменения видимости почти в два раза больше по сравнению с условиями тумана.
4. Горизонтальная дальность видимости у поверхности земли существенно больше влияет на градиент видимости на высоте И по сравнению с ВНГО.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Рацимор М.Я. Наклонная видимость. Методическое пособие для специалистов ГАМЦ, ЗАМЦ, АМЦ и АМСГ. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 136 с.
2. Рацимор М.Я. Наклонная и вертикальная видимость в адвективных туманах. Труды Гидрометцентра СССР, 1969. 127 с.
3. Федеральные авиационные правила производства полетов государственной авиации Российской Федерации (ФАППП-2004). М.: Воениздат, 2004. 192 с.
Zhivvorev A.S.
shift supervisor - engineer of the meteogroup Armed Forces of Russian Federation (Syzran, Russia)
Drabo A.I.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical Hydrometeorology Armed Forces of Russian Federation (Voronezh, Russia)
Pigarev A.E.
Candidate of Geological Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical Hydrometeorology Armed Forces of Russian Federation (Voronezh, Russia)
ESTIMATION OF HORIZONTAL VISIBILITY RANGE IN THE CLOUD LAYER
Abstract: the paper presents an estimate of the horizontal visibility range in the cloud layer of the atmosphere based on various types of optical models of the atmosphere. The calculation of the horizontal visibility range on model examples and the evaluation of the results obtained are given.
Keywords: aviation technical systems horizontal visibility range, types of optical models, earth surface.
