СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЫСОТ ИЗОТЕРМ В КОНВЕКТИВНОЙ ОБЛАЧНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к метеорологии, а именно к методам оценки вертикального распределения температуры в конвективной облачности.

Информация о вертикальном распределении температуры в конвективной облачности необходима для осуществления метеорологического обеспечения авиации, при проведении мероприятий противоградовой защиты, а также для прогноза опасных метеорологических явлений, связанных с указанной облачностью.

Известен способ определения параметров атмосферы, в том числе и температуры воздуха, на различных высотах с помощью поднимаемых в атмосферу радиозондов на свободно летящем шаре (Приходько М.Г. Справочник инженера-синоптика. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. С.229).

Недостатком данного способа является разреженность сети радиозондировочных станций, а также дискретность по времени циклов радиозондирования. Кроме того, вследствие того что радиозондирование осуществляется со стационарных станций, а атмосферные процессы динамичны, высока вероятность пролета радиозонда вне облачной массы.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ определения высоты нулевой изотермы в облаках (Патент на изобретение RU №2193787 С2, G01W 1/00), заключающийся в измерении наименьшей радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, соответствующей этим же районам.

Недостатком данного способа является ограниченность его применения только для определения высоты расположения уровня с температурой 0°С, а также необходимость использования эмпирических коэффициентов, зависящих от сезона года и района измерений.

Техническим результатом изобретения является возможность оценки высоты любой изотермы во всем объеме конвективного облака от его нижней до верхней границы с необходимой дискретностью, а также расширение границ применимости способа для различных районов и сезонов без уточнения эмпирических коэффициентов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе оценки высот изотерм в конвективной облачности, заключающемся в измерении наименьшей радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, соответствующей этим же районам, согласно изобретению дополнительно измеряют приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности, по результатам измерений пошагово с заданной дискретностью рассчитывают температуру воздуха Т_В в конвективном облаке от его нижней до верхней границы, сравнивают рассчитанное значение температуры Т_В со значением температуры искомой изотермы Т_И и, если Т_В≤Т_И, то за высоту изотермы принимают высоту расположения облачного воздуха на данном шаге.

Сущность изобретения

Применение дополнительно данных о значениях приземного атмосферного давления и высоты нижней границы облачности позволяет при помощи известной адиабатической модели развития конвективного облака (Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. С.106) определить с заданной дискретностью температуру воздуха по высотам в конвективном облаке для различных районов и сезонов без уточнения эмпирических коэффициентов.

В рамках данной модели реализован процесс адиабатического (без теплообмена с окружающей атмосферой) подъема единичного объема влажного воздуха. До тех пор пока влажный воздух не насыщен, то есть содержащийся в нем водяной пар не достиг состояния насыщения и не начал конденсироваться, его состояние изменяется по сухоадиабатическому закону. Внутренняя энергия воздуха при подъеме расходуется на работу против внешних сил давления, то есть температура понижается, доля пара остается постоянной, относительная влажность возрастает. Таким образом, наступает момент, когда поднимающийся воздух достигает состояния насыщения. Данный уровень называется уровнем конденсации и соответствует нижней границе облачности. Продолжающееся охлаждение воздуха, связанное с его дальнейшим подъемом, обусловливает конденсацию водяного пара. При конденсации выделяется скрытая теплота парообразования, вследствие чего температура воздуха понижается медленнее (по влажноадиабатическому закону). В результате выделения скрытой теплоты парообразования рассматриваемый объем воздуха становится теплее окружающего и продолжает подъем в атмосфере под действием силы плавучести. Ее действие продолжается до тех пор, пока поднимающийся облачный воздух охладится до температуры окружающей атмосферы. Данный уровень называют уровнем конвекции и принимают за верхнюю границу конвективной облачности.

Модель позволяет оценить температуру внутри конвективного облака на любой высоте от его нижней границы до верхней. На каждом шаге моделирования, начиная от нижней границы облачности, определяют высоту и температуру поднимающегося охлаждающегося воздуха Т_В. Сравнивают полученную Т_В с температурой изотермы Т_И, высоту которой необходимо определить, и, когда поднимающийся воздух охладится до Т_И, принимают высоту расположения облачного воздуха на данной итерации за высоту изотермы с температурой Т_И.

Верхняя граница облака ограничена изотермой с наименьшей радиационной температурой Т_Р. Определение высоты изотермы с температурой Т_И ограничивают данным уровнем, а также не осуществляют совсем, если Т_И≤Т_Р, что означает расположение уровня искомой изотермы с температурой Т_И вне облака, выше его верхней границы.

Применение описанной модели развития конвективного облака необходимо для того, чтобы определять температуру воздуха по высотам в конвективном облаке для различных регионов и сезонов без эмпирических коэффициентов, определяемых посредством применения аппарата математической статистики.

Способ реализуется следующим образом. С помощью радиометра ИК-диапазона, установленного, например, на космическом аппарате метеорологического назначения, проводят оценку наименьших значений радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхней границы интересующего участка конвективной облачности Т_Р. Если Т_Р≤Т_И, что означает наличие в облаке температур, соответствующих значению температуры искомой изотермы Т_И, то в этом же районе у поверхности Земли проводят измерения приземного атмосферного давления, температуры и высоты нижней границы облачности. Измерение давления и высоты нижней границы облачности может быть выполнено, например, с использованием ртутного барометра и светолокационного устройства измерения высоты нижней границы облаков (Метеорологические измерения на аэродромах / Н.В. Бочарников [и др.]. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2008. С.200-202, 272).

Применяя полученные данные приземных метеорологических наблюдений, можно оценить высоты изотерм в конвективной облачности при помощи адиабатической модели ее развития следующим образом. Согласно указанной модели изменение состояния сухого воздуха, поднимающегося от поверхности Земли до уровня конденсации, представляют линейной зависимостью. Это позволяет определить температуру воздуха и атмосферное давление на уровне конденсации, то есть на уровне нижней границы облачности (выражения (1) и (2) в Неижмак А.Н., Марчуков С.В. Способ расчета высоты верхней границы конвективной облачности: гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг (выпуск 1 часть 1): сб. статей / Воронеж: ВАИУ, 2010. С.119-121).

Выше уровня конденсации воздух является насыщенным водяным паром, и изменение его состояния описывается влажноадиабатическим законом. Благодаря выделению скрытой теплоты парообразования изменение состояния влажного насыщенного воздуха можно считать линейным только на небольших участках. Поэтому моделируют подъем облачного воздуха с заданной дискретностью (например, 10 гПа) по шкале давления. На каждом шаге подъема рассчитывают высоту расположения и температуру облачного воздуха (выражения (5)-(8) в Неижмак А.Н., Марчуков С.В. Методика расчета высоты изотермических поверхностей в облачном слое: мат. XI Междунар. научно-метод. конф. Информатика: проблемы, методология, технологии (10-11 февраля 2011 г.). - Воронеж: Издат. - полиграф. центр ВГУ, 2011. Т.2. С.109-112). Когда его расчетная температура Т_В достигнет или станет ниже значения температуры изотермы Т_И, высоту которой необходимо определить, ход вычислений прекращают и исходя из высоты расположения облачного воздуха на последнем шаге подъема определяют высоту изотермы.

По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет получить качественно новый результат, а именно оценить высоту любой изотермы в пределах конвективной облачности для различных районов и сезонов без уточнения эмпирических коэффициентов.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высот изотерм в мощных конвективных облаках. Сущность: измеряют наименьшую радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, температуру воздуха у поверхности Земли, соответствующую этому же району, приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности. По результатам измерений рассчитывают температуру воздуха от верхней до нижней границы конвективного облака с заданной дискретностью. Сравнивают рассчитанное значение температуры со значением температуры искомой изотермы. Если , то за высоту изотермы принимают высоту расположения облачного воздуха на данном шаге. Технический результат: возможность определения высоты любой изотермы в конвективной облачности, а также возможность применения способа для различных районов и сезонов без уточнения эмпирических коэффициентов.

Способ оценки высот изотерм в конвективной облачности, заключающийся в измерении наименьшей радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, соответствующей этим же районам, отличающийся тем, что дополнительно измеряют приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности, по результатам измерений пошагово с заданной дискретностью рассчитывают температуру воздуха Т_В в конвективном облаке от его нижней до верхней границы, сравнивают рассчитанное значение температуры Т_В со значением температуры искомой изотермы Т_И, и если Т_В≤Т_И, то за высоту изотермы принимают высоту расположения облачного воздуха на данном шаге.