Климатические масштабы и репрезентативность аэрологических наблюдений применительно к мезоклиматическим прогностическим моделям

Размещено на http://www.allbest.ru/

Климатические масштабы и репрезентативность аэрологических наблюдений применительно к мезоклиматическим прогностическим моделям

В статье рассматриваются масштабы климата и метеорологические процессы, которые их формируют. Поднимается проблема правомерности отождествления информации, получаемой четырьмя способами: по методам Эйлера, Лагранжа, летательными аппаратами, а также доплеровскими радиолокаторами. Подробно рассматриваются радиозондовые наблюдения.

Ключевые слова: масштабы климата, репрезентативности, метод Эйлера, метод Лагранжа, ветер тропосферы, струйные течения, доплеровский радиолокатор

климат метеорологический информация

Vitaliy I. Akselevich

Camille Sh. Khairullin3

The article discusses the scale of the climate and the meteorological processes that form them. The problem of the legitimacy of identifying information obtained in four ways: by the methods of Euler, Lagrange, aircraft, as well as Doppler radars. Radiosonde observations are considered in detail.

Keywords: climate scales, representativeness, Euler method, Lagrange method, troposphere wind, jet currents, Doppler radar

Введение

Важное значение в метеорологии отводится плотности сети метеорологических станций в зависимости от запросов практики: прогноз погоды, специализированное обслуживание сельского хозяйства, транспорта и авиации, строительства и т. и. Редкая сеть не даёт возможности получить удовлетворительные ответы на эти запросы. Густая есть вызывает непроизводительные затраты материальных ресурсов и увеличение персонала наблюдателей [8].

В работе показано, что существует косвенный способ вычисления ошибки интерполяции расстояния между метеорологическими станциями. Введена в методику так называемая ошибка экстраполяции, как функция расстояния между ними. Несколько ранее эта функция была введена в работах А. Н. Колмогорова и А. М, Обухова [14; 15|.

Внесение метода оптимальной интерполяции вместо линейной обеспечивает точность расчёта, которая превосходит точность наблюдений. Сотрудники ГГО также занимались планированием сети климатологических станций [5; 6]. Докладчики комиссии по климатологии, рассматривая густоту сети е точки зрения практики, разделяли различные виды наблюдений: температуру воздуха, осадки, явления погоды и т. д. Были рекомендованы расстояния между реперными станциями 300-400 км. По классификации ВМО расстояние между станциями 2-го класса составляет 50-60 км, между станциями 3-го класса (постами), где наблюдения проводятся над температурой воздуха, осадками и атмосферными явлениями, рекомендовано расстояние около 30 км. В различных физико-географических условиях эти расстояния могут меняться. В докладе подробно рассмотрена репрезентативность расстояний между аэрологическими станциями: они совпадают е расстояниями между реперными метеорологическими станциями и составляют около 300 км.

В таблице приводится масштабная классификация климатов в зависимости от размера метеорологических процессов. Современное оборудование (радиолокаторы: профилеры, спутники, дроны) позволяет получать необходимую метеоинформацию помимо стандартных метеорологических станций. Если горизонтальные составляющие репрезентативности метеостанций достаточно разработаны, то вопросы вертикальной репрезентативности наблюдений и особенно репрезентативность временных интервалов самих наблюдений являются малоизученными или вовсе не рассматривались.

В статье сделана попытка на примере аэрологических наблюдений оценить значимость этих понятий.

Масштабная классификация климатов

Современное состояние вопроса

Регулярные инструментальные гидрометеорологические измерения во всём мире и, в частности, на территории Российской Федерации, производятся е 1891 г, [3]. До этого они были эпизодическими и выполнялись некачественными приборами, которые не подвергались поверке. Кроме того, количество гидрометеорологических станций было очень небольшим, и оно постепенно увеличивалось. Место расположения таких станций выбиралось таким, чтобы показания приборов на станции были репрезентативными для окружающего пространства,

С точки зрения метрологии, истинные значения измеряемых параметров отличаются от действительных значений, найденных (измеренных) экспериментальным путём [9]. К сожалению, первые являются более точными и отличаются от измеренных, В гидрометеорологии существуют много подходов к измерению величин и различных приборов для этого, В итоге мы часто сравниваем несравнимые по точности измеренные результаты, В статье предпринята попытка показать допустимость или недопустимость отождествления информации, получаемой по методам Эйлера и Лагранжа, с помощью ЛА и радиолокаторов, а также определить предпочтения их использования при учёте влияния ветра в полёте Л А на крейсерском режиме.

За последние почти 130 лет, когда проводятся регулярные гидрометеорологические наблюдения, окружающая среда значительно изменилась, в том числе и за счёт антропогенного фактора, а приборы для измерения состояния этой среды усовершенствовались, Так, большие города выросли в высоту и расширились по площади, В итоге они существенно изменили ветровой режим особенно в локальном масштабе и термический режим за счёт попадания метеостанций в остров тепла больших городов [1; 4]. В результате при расчёте средних многолетних характеристик допускается не менее двух систематических ошибок:

1) осреднение метеорологических величин производится без учёта возрастающего количества станций;

2) нарушается репрезентативность показаний метеорологических приборов, поскольку изменился аэродинамический режим обтекания из-за высотного строительства, и метеорологические станции врастают в города с их островом тепла,

В результате измеряется изменённое состояние термического и ветрового режима, в том числе и за счёт антропогенного фактора. Поэтому трудно отделить локальные изменения климата от глобальных.

Для описания полей различных движущихся жидкостей обычно применяется два подхода: метод Эйлера и метод Лагранжа (рис, 1), В первом случае в качестве переменной рассматривается изменение поля скоростей воздушного потока, его температуры и других метеорологических величин в конкретной точке (х,у, г) пространства в определённый момент времени (Ј). При этом определяются мгновенные значения величин в конкретной точке и оереднённые за различный промежуток времени (от 2 до 10 мин) в этой точке.

Эта информация на синоптической карте считается репрезентативной для площади радиусом 150-300 км на густо освещённой территории (например, Европы), а для слабо освещённых территорий и океанов еще для больших площадей [1]. Для численных расчётов репрезентативной считается информация в узлах сетки через 300 км [12; 13|. Экстраполяция производится по времени на несколько часов вперёд.

Рис. 1. К понятию способов Эйлера (точка А), Лагранжа (точка В) и измерению параметров ветра с Л А, имеющего собственную скорость полёта (точка С), а также измерению параметров атмосферы с использованием РЛС (точка D)

Во втором случае производится измерение координат ТОЧКИ (ЖоД/О? ~о) от времени (to), т. е. координаты движущегося потока и параметры окружающего пространства, над которым он перемещается. В этом случае производятся измерения осреднённых значений характеристик не менее чем за 1 мин в конкретной точке и осреднение по времени (за те же 2-10 мин) и по пространству. Величина последнего зависит от скорости движения потока. Экстраполяция производится но времени и по пространству. Скорость потока будет увеличиваться согласно уравнению Бернулли в суженном сечении и уменьшаться при увеличении сечения. В атмосфере скорости ветра в струйных течениях достаточно часто составляют 300-400 км/ч и могут достигать 700 км/ч [211. Конечно, последнее значение также трудно подтвердить, как и опровергнуть. При скорости 120 и 360 км/ч осреднение за 10 мин будет производиться соответственно на расстоянии 20 и 60 км, а при скорости 900 км/ч - 150 км. При среднем расстоянии между метеостанциями в 300 км и более такое осреднение на практике допустимо.

Исторически сложилось, что данные, получаемые по методам Эйлера и Лагранжа, отождествляются. Кроме того, сюда же включают информацию, получаемую с ЛА, имеющего собственную скорость полёта, отличную от скорости ветра. Наиболее ярко это проявляется, когда измерения производятся со скоростных и сверхскоростных ЛА, С них также производятся измерения различных параметров атмосферы и подстилающей поверхности (ПП). Попытаемся разобраться, насколько корректно отождествление информации, получаемой в различных точках пространства А, В, С и Б (рис, 1) и насколько правомерно её осреднение по времени и пространству.

Подвижный ЛА (точка С) производит измерения параметров окружающей природной среды. Однако возникает вопрос: к какой точке пространства эту информацию относить и к какому времени? Понятно, что привязные аэростаты и радиозонды измеряют метеорологические параметры по методу Эйлера, а в свободном полёте аэростат измеряет параметры атмосферы по методу Лагранжа, Радиозонд в свободном полёте усредняет значение параметров по слоям (температура и ветер в слое) и, тем не менее, это значение относится к точке выпуска (метод Эйлера), хотя зонд может улететь от этой точки за 1 ч полёта на 100 и даже 200 км.

Для описания полей температуры и ветра вполне оправдано использование методов Эйлера и Лагранжа, Параметры ветра резко меняются во времени и, тем более, по пространству, В итоге ЛА на маршруте реагирует на оереднённые характеристики, а на этапах взлёта и посадки и на мгновенные порывы ветра, особенно при малых скоростях полета. Кроме того, появились новые типы устройств (радиолокаторы), которые измеряют параметры атмосферы в нескольких точках пространства за короткий период времени (точка Б на рис, 1), Возникает проблема сравнения результатов их измерения в точках А, В, С и Б (рис, 1) и правомерности их отождествления,

В неподвижном воздухе направление движения самолёта относительно подстилающей поверхности совпадает е направлением его продольной оси, а скорость перемещения равна воздушной. Кроме того, у ЛА вводится понятие путевой скорости. Поскольку самолёты в полёте опираются на чрезвычайно подвижный воздух, имеющий движение, как по горизонтали, так и по вертикали, то они реагируют на эти движения и перемещаются в пространстве под влиянием воздушной скорости ЛА и движений воздуха.

При навигационно-метеорологическом обеспечении полётов ЛА необходимо учитывать влияние ветра, который оказывает на полёт ЛА значительное влияние (рис, 2), изменяя его путевую скорость ветра и его направления 6. Другими элементами навигационного треугольника скоростей являются: угол ветра б (т, е, угол между направлением северного географического или магнитного меридиана и вектором путевой скорости, угол между векторами воздушной и путевой скоростей <р, куре полёта д, т, е, угол между направлением северного географического (или магнитного) меридиана и вектором воздушной скорости путевой угол а (т, е, угол между направлением северного географического (или магнитного) меридиана и вектором путевой скорости).

Рис. 2. Навигационный треугольник скоростей и его составляющие Fig. 2. Navigation speed triangle and its components

Информация о состоянии окружающего воздуха, полученная по измерениям с ЛА, является осрсдпсппоп по значительному пространству п за небольшой промежуток времени. Зависящий от скорости полёта. Масштаб осреднения по пространству п времени зависит от путевой скорости полёта. При малых её значениях показания измеренных величии будут приближаться плп совпадать с осредпеппой информацией, полученной по методу Эйлера, а при больших скоростях полёта значительно отличаться. При этом, чем больше будет крейсерская скорость полёта, тем большим будет расстояние, па котором происходит осреднение. Современные подвижные аппараты (точка С па рис. 1) сами измеряют параметры окружающей среды п ПП, усредняя их по пространству п по времени [7; 10; 111. Получить мгновенные значения они не могут, поскольку па скорости полёта в 1 200, 1 500, 1 800 н 2 400 км/ч за 10 мни будут пролетать соответственно расстояние в 200, 250, 300 н 400 км, а ИСЗ па низкой орбите расстояние в 1000 км пролетает за 1-2 мни. К какой точке пространства относить результаты этих измерений? Правда, стационарные спутники постоянно находятся над одной точкой, по измерения проводят с высоты около 40 тыс. км. Необходимое пространственное разрешение для таких ИСЗ должно составлять около 10 км.

Целесообразно информацию в точке С, полученную с движущегося Л А независимо от окружающих воздушных потоков [21, считать осредпёппой по времени за 1-10 мни, а по пространству за участок маршрута размером, например, 40-400 км, пролетаемый за это время со скоростью 2 400 км/ч, а при мспынпх скоростях, например, при 1 200 км/ч - от 20 до 200 км (при скорости 800 км/ч это будет примерно 13-133 км). Вопросы учёта влияния ветра па полёты ЛА остаются актуальными, несмотря па большие скорости современных самолётов па крейсерском режиме. Получается, что скорости самолётов п ветра в струйных течениях могут быть соизмеримы.

С точки зрения общей циркуляции атмосферы в районе Благовещенска и Хабаровска наблюдается устойчивый западный перенос. Наибольший интерес для целей аэронавтики представляет исследование переходного слоя атмосферы между тропосферой и стратосферой. Этот переходный слой называется тропопаузой. Верхней границей тропосферы условно считают уровень минимальных температур. Выше этого уровня температура е высотой, как правило, растёт, В умеренных широтах высота тропопаузы в летний период составляет 10-12 км, зимой она ниже. Кроме того, высота тропопаузы колеблется при прохождении циклонов и антициклонов за короткий период времени. Так, в течение суток в Благовещенске и Хабаровске разность высот может достигать 2 км, Повеемеетно отмечаются струйные течения в верхней тропосфере и нижней стратосфере со скоростями 100 км/ч и более. Над Амурской областью почти ежегодно скорости ветра могут достигать 300 км/ч [17]. Резкие изменения скорости ветра е высотой в течение суток, получаемые е помощью радиозонда, сильно влияют на полёты самолётов, так как трудно спрогнозировать опасные явления, такие как турбулентность и сдвиг ветра.

Поэтому при навигационно-метеорологическом обеспечении полётов ЛА необходимо учитывать влияние ветра, особенно в струйных течениях. Исходными формулами для двух серий численных экспериментов послужили следующие:

a - направление ортодромии; S - длина ортодромии в градусах дуги большого круга; <pi , Ai; и <^2, A2 - со о тв етс тв у ю щ и е к о о р д и н а т ы исходного и кон еч н ого п у н к т о в т р а с с ы (участка трассы), Подробнее вывод рабочих формул для расчёта приводится в статье «О допустимом масштабе,,,»[16],

Численное моделирование влияния скорости ветра на полёты летательных аппаратов на крейсерском режиме. Для выявления влияния скоростей полёта на масштаб осреднения протяжённости участка маршрута, на котором следует вводить поправку на ветер без опасности выхода за пределы воздушного коридора и нарушения безопасности полёта, были выполнены две серии численных экспериментов, В них рассматривались различные скорости полёта от 850 до 2 500 км/ч. Результаты представлены на рис, 3-8,

Рис. 3. Повторяемость (%) выходов самолёта за пределы воздушного коридора ±10 км на .участках различной протяжённости при расчётах но локальному значению ветра, измеренному в одной точке (по методу Эйлера) при скоростях полета: 1 850, 2 1 500, 3 2 000, 4 2 500 км/ч

Fig. 3. Repeatability (%) of aircraft exits outside the air corridor ±10 km in areas of varying lengths when calculating the local wind value, measured at one point (according to the Euler method) at flight speeds: 1 850, 2 1 500, 3 2 000, 4 2 500 km/h

Исходным материалом для двух серий численных экспериментов послужили случайно выбранные аэросинонтические ситуации на картах барической топографии различных уровней, в основном за зимний сезон, когда наблюдаются более сильные ветры,

В первой серии экспериментов промоделировано более 1 800 полетов. При этом использовались локальные данные о параметрах ветра, измеренные в конкретной точке (примерный метод Эйлера, т, к, радиозонд улетал от точки выпуска и определи,:! ветер в слое). Эта информация распространялась па участок протяжённостью от 500 до 2 000 км через 500 км (рис, 3.)

Анализ результатов первой серии экспериментов показал нецелесообразность использования локальных значений параметров ветра, измеренных в одной конкретной точке маршрута (метод Эйлера), на весь маршрут и даже на участок трассы в 500 км. Из графика (рис. 3) видно, что даже на скорости в 2 500 км/ч повторяемость выходов за пределы воздушного коридора на участке в 500 км составляет 10 %, а при меньших скоростях полёта - превышает 20, 30 и 40 %. К сожалению, так часто поступают в настоящее время. Из рис. 3 следует, что даже сверхзвуковые скорости полёта, которые сглаживают влияние ветра на полёт самолета, не обеспечивают надежность в 5 % невыхода самолёта за пределы воздушного коридора ±10 км. Тем более дозвуковые скорости в 850 км/ч способствуют выходу самолёта из указанного коридора. Поэтому штурманам приходится вводить поправку в курс самолёта чаще, чем через 500 км, как только навигационное оборудование показывает их выход за пределы коридора.

Наоборот, анализ результатов второй серии экспериментов доказывает, что параметры ветра, полученные осреднением по участку маршрута, надёжнее учитывают его влияние па безопасность полётов. Этот эффект усиливается при увеличении скорости полёта, что хорошо согласуется с выводами А. М. Обухова о квазигеострофичетком приближении поля ветра и давления |14|, Таким образом, введение оередпёппых (интегральных) поправок в курс гарантирует достаточно высокую точность самолетовождения (рис, 4),

Рис. 5. Повторяемость (%) выхода самолёта за пределы воздушного коридора ±10 км в зависимости от скорости полёта и протяжённости участка трассы S: 1 1000, 2 1500 и 3 2000 км

Fig. 5. Repeatability (%) of the aircraft leaving the air corridor ±10 km depending on the flight speed and the length of the S route section: 1 1000, 2 1500 and 3 2000 km

Во второй серии экспериментов про модели ро вал ю 3 500 полетов с общим налётом более 25 млн км. Параметры ветра усреднялись но участкам различной протяжённости (от 500 до 2 000 км через 500 км, а далее до 5 000 км через 1 000 км) на маршрутах, ориентированных в широтном и меридиональном направлениях. Результаты представлены на рис. 5-8,

Например, при участке протяжённостью в 1 000 км и воздушной скорости полёта не менее 2 000 км/ч обеспеченность выдерживания заданной воздушной трассы (±10 км) составляет 95 % и более.

Р%

Рис. 6. Интегральная повторяемость (%) отклонений самолёта от ортодромии при масштабах осреднения ветра 500-2 000 км и скорости полёта 1 500 км/ч

Более детальную информацию показывают графики на рис. 5, которые демонстрируют зависимость выходов самолёта за пределы коридора при увеличении масштаба осреднения от 500 до 5 000 км. При этом допустимым масштабом осреднения является 2 000 км для скорости 2 500 км/ч и до 1 000 км для скорости 2 000 км/ч. Для скорости 1 500 км/ч он равен 700 км. Для скорости полета 1 500 км/ч (рис. 6) и для скорости 2 500 км/ч (рис. 7) показаны интегральные зависимости отклонений в 10 км (В) от ортодромии (центральной линии трассы) при протяжённости участков от 500 до 2 000 км.

п