Способ определения диапазона высот вероятного обледенения в облаках вертикального развития Российский патент 2022 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области авиационной метеорологии, а точнее к способам определения высот расположения слоя с обледенением в облаках, образующихся в результате конвективных движений в атмосфере, и может быть использовано для оценки наличия в облачности зон вероятного обледенения в целях обеспечения безопасности полетов.

Обледенение представляет собой процесс отложения льда на обтекаемых частях поверхности воздушного судна при полете в переохлажденных облаках, тумане или осадках. Наиболее вероятно обледенение при температурах от 0°С до -20°С (Руководство по практическим работам метеорологических подразделений авиации Вооруженных Сил. М.: Воениздат, 1992. С. 296).

В определенных случаях обледенение представляет опасность для авиации (Наставление по метеорологической службе авиации Вооруженных Сил Российской Федерации. М., 2014. Ст. 97). Воздушные суда гражданской авиации сталкиваются с данным явлением в подавляющем большинстве случаев на этапах взлета и посадки. Основное время полета проходит по маршруту на больших высотах в зоне очень низких температур, где обледенение маловероятно. Воздушные суда государственной авиации выполняют другие задачи, подразумевающие переменный профиль полета, то есть частое изменение высоты и, соответственно, периодическое нахождение в зоне температур, благоприятных для образования обледенения. Наиболее опасное и сильное обледенение наблюдается в кучево-дождевых облаках (Иоффе М.М., Приходько М.Г. Справочник авиационного метеоролога. Под ред. А.В. Костюченко. М: Воениздат, 1977. С. 183.). Существует объективная необходимость определения диапазона высот вероятного обледенения в облаках вертикального развития в целях обеспечения безопасности полетов государственной авиации.

Известен способ определения возможных зон с обледенением, основанный на информации о температуре и температуре точки росы на высотах, полученных посредством радиозондирования атмосферы (Руководство по практическим работам метеорологических подразделений авиации Вооруженных Сил. М.: Воениздат, 1992. С. 297).

Недостатком данного способа является тот факт, что для его реализации требуются данные радиозондирования атмосферы. Пространственно-временное разрешение такой информации ограничено ввиду разреженности сети радиозондировочных пунктов и дискретности по времени циклов радиозондирования.

Существует способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов в режиме реального времени (Патент на изобретение RU 2580375 С1), основанный на определении приземных значений относительной влажности, температуры точки росы и высоты нижней границы облачности, регистрации вертикальных профилей температуры и последующем применении формулы Годске или математической модели, разработанной в NCEP. Регистрация вертикального профиля температуры осуществляется при помощи наземного температурного профилемера, установленного в заданном районе.

Недостатком данного способа является необходимость применения наземного температурного профилемера, оценивающего температуру по высотам в приземном слое тропосферы. Какой-либо существенной сети указанных профилемеров нет, а указанный в патенте на изобретение профилемер восстанавливает вертикальный профиль температуры до высоты 1000 метров. Тогда как воздушные суда государственной авиации выполняют полеты вне территориальной привязки к местам размещения профилемеров, а высоты развития кучево-дождевых облаков достигают значений более 10000 метров.

Сущность изобретения заключается в том, что по измерению у земли температуры воздуха, атмосферного давления и температуры точки росы реализуется адиабатическая модель развития конвективного облака (Неижмак А.Н., Расторгуев И.П. Оценка адекватности модели конвекции в задаче определения температуры в кучево-дождевом облаке // Успехи современного естествознания. 2019. № 10. С. 84-88). Результатом реализации указанной модели является восстановление вертикального профиля температуры по высотам в облаке вертикального развития. Расположение в облаке зоны с температурами от 0°С до -20°С позволяет диагностировать ее как зону возможного обледенения воздушного судна.

Техническим результатом изобретения является получение возможности определения зон вероятного обледенения воздушных судов в облаках вертикального развития не только в приземном слое, но и на протяжении всего слоя облачности по вертикали, а также расширение пространственных границ применимости способа вследствие устранения необходимости размещения в районе полетов (выполнения задач) наземного температурного профилемера.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов, заключающемся в проведении приземных наблюдений, а именно измерении температуры точки росы, дополнительно измеряют температуру воздуха и атмосферное давление, а вертикальный профиль температуры воздуха до высоты расположения изотермы -20°С в облачности вертикального развития восстанавливают при помощи адиабатической модели, в рамках которой облачный воздух поднимается с заданным шагом, и на каждом шаге подъема рассчитывают его температуру и высоту, а наличие зон вероятного обледенения в облачности определяется в слое от высоты расположения изотермы 0°С до высоты расположения изотермы -20°С.

Способ реализуется следующим образом. В рамках функционирования регулярной сети гидрометеорологических наблюдений или посредством организации временных пунктов измерения метеорологических параметров производится регистрация температуры воздуха у земли, атмосферного давления и температуры точки росы. Применение полученных данных позволяет без необходимости инструментальной регистрации восстановить вертикальный профиль температуры воздуха в облачности конвективного происхождения при помощи использования адиабатической модели ее развития.

Согласно данной модели температура воздуха в ненасыщенной водяным паром атмосфере изменяется с высотой по линейному сухоадиабатическому закону, а с учетом того, что на уровне конденсации температура воздуха становится равной температуре точки росы (происходит конденсация водяного пара), можно определить давление на уровне конденсации, а затем его высоту, которая отождествляется с высотой нижней границы облачности конвективного происхождения (выражения (1)-(4) в Неижмак А.Н., Расторгуев И.П. Методика оценки высоты развития кучево-дождевой облачности // Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 125-129).

Выше уровня конденсации, то есть непосредственно в облаке, температура воздуха изменяется с высотой согласно нелинейному влажноадиабатическому закону. Линейным изменение температуры воздуха можно считать только на небольших участках по высоте. Моделирование дискретного подъема облачного воздуха с маленьким шагом по высоте (например 10 гПа по шкале атмосферного давления) позволяет рассчитать на каждом шаге подъема температуру воздуха и высоту его нахождения в облаке (выражения (5)-(8) в Неижмак А.Н., Расторгуев И.П. Методика оценки высоты развития кучево-дождевой облачности // Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 125-129). Вычисления продолжаются до достижения температуры внутри облака -20°С. Дальнейшие вычисления нецелесообразны ввиду снижения вероятности возникновения обледенения при более низких температурах.

По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет получать качественно новый результат, а именно заключение о возможном обледенении воздушных судов в определенном слое всей толщи облачности вертикального развития без использования технологий инструментальной регистрации вертикального распределения температуры воздуха с высотой в облаке.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения диапазона высот вероятного обледенения в облаках, образующихся в результате конвективных движений в атмосфере, в целях обеспечения авиационной безопасности. Сущность: при проведении приземных наблюдений измеряют температуру точки росы, температуру воздуха и атмосферное давление. Восстанавливают вертикальный профиль температуры воздуха до высоты расположения изотермы -20ºС в облачности вертикального развития при помощи адиабатической модели, в рамках которой облачный воздух поднимается с заданным шагом. При этом на каждом шаге подъема рассчитывают температуру и высоту облачного воздуха. Наличие зон вероятного обледенения в облачности определяют в слое от высоты расположения изотермы 0°С до высоты расположения изотермы -20°С. Технический результат: расширение возможностей использования.

Способ определения диапазона высот вероятного обледенения в облаках вертикального развития, заключающийся в проведении приземных наблюдений, а именно измерений температуры точки росы, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру воздуха и атмосферное давление, а вертикальный профиль температуры воздуха до высоты расположения изотермы -20°С в облачности вертикального развития восстанавливают при помощи адиабатической модели, в рамках которой облачный воздух поднимается с заданным шагом, и на каждом шаге подъема рассчитывают его температуру и высоту, а наличие зон вероятного обледенения в облачности определяется в слое от высоты расположения изотермы 0°С до высоты расположения изотермы -20°С.