СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Российский патент 1996 года по МПК G01W1/02 

Изобретение относится к средствам и способам обработки информации и расчетов в области метеорологии и может быть использовано для прогнозирования климатических изменений температуры поверхности Земли.

Согласно данным натурных наблюдений [1] в верхней части тропосферы (8-12 км) присутствует одой перистой облачности, представляющей собой разреженную aэрозольную субстанцию, состоящую в основном из кристаллов льда. Этот слой является одним из основных факторов, способствующих возникновению парникового эффекта и в значительной степени обеспечивающих климат и экологическое равновесие в земной тропосфере, так как процессы, происходящие в стратосфере и в верхней тропосфере, оказывают весьма значительное влияние на климат и следовательно, на экологию Земли.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ прогнозирования изменений метеорологических и климатических условий, включающий измерение следующих величин: влажности, давления, температуры скорости ветра в пределах слоя тропосферы с последующей математической обработкой, построением объективного анализа и прогноза изменений метеусловий и климата [3] Измерение метеовеличин производится путем зондироввния. Однако при проведении подобных измерений не учитываются негазовые фракции влаги, так как в настоящее время не существует надежных способов фиксации значений водности и тем более ледности. Вместе с тем перистые облака, располагающиеся, как правило, около верхней границы тропосферы, состоят преимущественно из кристаллов льда [3] Облачность именно данного типа в наибольшей степени способствует возникновению парникового эффекта, стимулирующего потепление климата. Поэтому для повышения достоверности прогноза необходима комлпексная оценка изменения потоков излучения вследствие влияния облачности, при этом последнюю следует рассматривать как субстанцию, состоящую из жидкой и кристаллической влаги. Помимо этого, необходимо выбрать оптимальную модель для анализа и прогноза погоды, для чего следует ограничить исследуемую часть атмосферы по высоте и по площади, так как значительная площадь существенно усложняет объективный анализ и увеличивает время, необходимое для прогноза.

Цель изобретения заключается в повышении точности и достоверности прогнозирования погоды и климата.

Это достигается тем, что в способе прогнозирования изменений погоды и климата, включающем измерения метеовеличин в слое тропосферы и нижней стратосферы с последующей математической обработкой и выдачей прогноза, измерения атмосферного давления температуры и удельной влажности производят в столбе тропосферы на основе метеозондирования на площади до 100000 кв.км, с шагом по высоте 1-2 км до уровня 40 км от поверхности Земли, на их основе с помощью математической модели определяется комплексное взаимодействие облачности и атмосферной радиации, для чего вводится комбинированная знакопеременная Функция М в виде суммы переменных величина μ,ξ₁q₂ ,ξ₃q₃, описывающих парообразное, жидкокапельное и кристаллическое состояние влаги соответственно.

Фазовые состояния пара в атмосфере являются положительными физическими величинами. Процесс разделения фракций влаги основан на том, что парообразному состоянию присваивается отрицательное значение.

Это искусственное условие, исключаемое при дальнейших преобразованиях, и приводит к знакопеременному свойству функции. Интегрирование по времени эволюционного уравнения для функции приводят к формированию трех групп обратных связей. Первая группа описывает взаимодействие между полем относительной влажности и жидкокапельной фракцией. Вторая группа представляет переход жидкокапельной фракции в осадки. Эти группы тесно связаны так как формирование жидких осадков рассматривается как результат постепенной эволюции облачности от виртуального состояния оказывающего слабое возлей отвис на энергетику атмосферных движений до развитой облачности.

Третья группа представляет адаптацию облачности и к длинноволновому радиационному притоку тепла. Эта группа наиболее сложна, так как она включает две предыдущие. Наличие групп обратных связей позволяет ввести в рассмотрение понятие метеокибернетической системы, для описания кот срой предложена функция М. Функция представляется в виде суммы:
M = μ+ξ₁q₂+ξ₃q₃,
где


q₁, q₂, q₃ удельная влажность, водность, ледность соответственно,
L₁, L₂ удельная теплота конденсации и сублимации соответственно
Δ -дефицит точки росы,взятый обратным знаком,
C_р удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении,
R_п- газовая постоянная водяного пара,
t- температура точки росы.

Эволюционное уравнение комбинированной знакопеременной функции строится на основе уравнений переноса удельной влажности, водности и ледности, а также уравнения притока тепла. Численное решение эволюционного уравнения относительно функции М позволяет определить значения трех фазовых состояний пара. При этом полная водность, или сумма водности и ледности, рассчитывается без привлечения каких-либо полуэмпирических соотношений.

На основе функции автором была построена одномерная модель, состоящая из системы уравнений:



где t время,
P атмосферное давление,
Т температура воздуха,
постоянная Пуассона,
w тенденция атмооферного давления,
ТМ₁, ТМ_т турбулентные притоки водяного пара и тепла соответcтвенно
m₁, m₂- скорость конденсации и замерзания соответственно,
Е фазовый приток тепла,
R- радиационный приток тепла,


C₃= -1/Φ′•(q₁+C₈Q),
C₄= -2C₈/Φ′C_p•(q₂L₁+q₃L₃)-(Q/q₁)•C₁₂,

C₆= C₃
C₇= -ξ₁δ-ξ₃δ_м,





δ,δ_m- приток жидких и твердых осадков,
Q q₂ + q₃
Φ′= R_пτ²/L₁

Выбор пространственной ячейки в атмосфере и математическое моделирование процессов, происходящих в этой ячейке, достигают поставленную цель, именно: количественную оценку изменения потоков излучения вследствие влияния облачности, которая рассматривается как субстанция, состоящая из жидкой и кристаллической влаги.

Сравнение предложенного способа с прототипом и анализ известных технических решений в области обработки метеоданных и прогноза погоды и климата показали, что предложенное техническое решение удовлетворяет критериям изобретения новизна, изобретательский уровень и промышленная применимостью.

Пример осуществления способа. Были использованы величины атмосферного давления, удельной влажности и температуры, измеренные на площади 3000 ив, км в столбе атмосферы высотой 16 км с шагом 1,5 км в зоне тропических широт южного полушария. На основе данных измерений были рассчитаны водность и ледность и выдан прогноз в указанном столбе атмосферы. Параллельно на основе традиционного подхода рассчитывался балл облачности который, будучи представлен как функция относительной влажности воздуха, характеризует степень покрытия небосвода.

Анализ полученных расчетных данных показывает (см. чертеж),что слабая облачность формируется уже к 6 часам прогноза. К 12 часам облачность охватывает слой 8 км по высоте (модельные уровни 4-12) к 18 часам всю толщу тропосферы.

Водность сосредоточена в основном около модельных уровней 10 13 (в слое тропосферы толщиной 2 км), достигая к 18-24 часам прогноз максимальных значений 0,2 г/куб.м С 10-го модельного уровня (2,1 км) наблюдается резкое увеличение водности, и выше 5-го модельного уровня 7,5 км) жидкая влага в свободном виде отсутствует (сплошная изолиния).

Поле ледности охватывает модельные уровни 1-8 (слой 12км), не распространяясь ниже 4 км. Максимальное значение ледности составляет 0,0001 г/куб. м. Полученный диапазон изменения значений водности и ледности соответствует иеющимся данным наблюдений (3). Модельные уровни 5-8 (4-7,5 км) образуют переходную зону где одновременно присутствуют как жидкая,так и кристаллическая влага. К 6 часам прогноза облачность является чисто жидкокапельной. К 12-24 часам прогноза ансамбль облаков содержит как водную, так и кристаллическую фазу, в верхней тропосфере формируется чисто кристаллическая (перистая) облачность. Около 9-го модельного уровня (высота 3,5 км) начиная с 12 часов прогноза отсутствует как жидкокапельная, так и кристаллическая влага.

Таким образом, применение модели автора [4] позволило проследить эволюцию облачности, ее зарождение, распространение в верхние слои тропосферы, образование кристаллической (перистой) и двух слоев жидкокапельной облачности с безоблачной прослойкой на высоте 3,5 км. Модельными расчетами было подтверждено реальное развитие погодных условий в течение 24 часов. Возможность учета эволюции облачности существенно повышает достоверность прогноза.

Балл облачности, определяемый на основе традиционных методов, не позволяет проследить эволюцию чисто кристаллической облачности: из фиг.1 следует, что верхняя граница облачности, представленной как функция относительной влажности, не превышает 9 км. В то же время атмосферная радиация отмечается на значительно больших высотах. Это приводит к следующему эффекту. Нисходящий поток радиации, определенный по предлагаемому способу и зафиксированный приборами на поверхности Земли, оказывается на 50-100 Вт/кв.м меньше, чем поток в тех же условиях, определенный на основе традиционных методов. Помимо этого традиционные методы не позволяют идентифицировать процесс расслоения облачности на два яруса,
Таким образом, на основе модели автора получен ход эволюции облачности, удовлетворительно совпадающий с реальными процессами в атмосфере, что доказывает достоверность модели автора. Положительный эффект, даваемый моделью, состоит в повышении качества прогноза и уменьшении времени, необходимого для прогноза.

Использование: для прогнозирования климатических изменений температуры поверхности земли. Сущность изобретения: измеряют метеовеличины: температуру, давление, влажность с последующей математической обработкой, оценивают три фазовых состояния пара в слое атмосферы и определяют комплексное взаимодействие облачности и атмосферной радиации на основе комбинированной знакопеременной функции М. 1 ил.

Способ прогнозирования климатических изменений температуры поверхности Земли, включающий измерения метеовеличин: температуры, давления, влажности с последующей математической обработкой и прогноз температуры и оценку трех фазовых состояний пара в слое атмосферы, отличающийся тем, что путем построения метеокибернетической системы, состоящей из трех групп обратных связей:
1 гр. между жидкокапельным состоянием и относительной влажностью,
2 гр. между жидкокапельным состоянием и жидкими осадками,
3 гр. между радиационно-оптическими параметрами облачности и длинноволновым радиационным притоком тепла, прогноз температуры и трех фазовых состояний пара в атмосфере (пар, вода, лед) получают путем определения трех групп обратных связей на основе комбинированной знакопеременной функции M виде суммы переменных величин μ, ξ₁q₂, ξ₃q₃, описывающих парообразное, жидкокапельное и кристаллическое состояние влаги, соответственно
M=μ+ξ₁q₂+ξ₃q₃,
где



где q₁-q₃ удельная влажность;
R_п газовая постоянная водяного пара;
L₁-L₃ удельная теплота испарения;
С_p удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;
τ температура точки росы.