Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование структуры и динамики метеорологических полей стратосферы винтересах обеспечения полетов аэростатов

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование структуры и динамики метеорологических полей стратосферы винтересах обеспечения полетов аэростатов"

1 V.1 »1

'о '.уГ.'и ^^ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ш Е Р Ш Н Е В Александр Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ СТРАТОСФЕРЫ В ИНТЕРЕСАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕТОВ АЭРОСТАТОВ

Специальность: 11.00.09 - Метеорология, климатология,

агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

КАЗАНЬ - 1996

Работа выполнена в Казанском государственном университете и в Воздухоплавательном центре России.

Научные руководители: - доктор географических наук,

профессор ПЕРЕВЕДЕНЦЕВ Ю.П.

- кандидат физико-математических наук, доцент РЕМЕНСОН В.А.

Официальные оппоненты: - доктор географических наук,

профессор СЕМЕНОВ Е.К.

- кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИВАНОВ В.П.

Ведущая организация - Воронежское высшее военное

авиационное инженерное училище

Защита состоится " 5 " марта 1996 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 053.29.15 в Казанском государственном университете, по адресу: 420008 Казань, ул. Ленина, 18, корп. 2, географический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного университета. Отзывы и замечания, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу I двух экземплярах.

Автореферат разослан "31" января 1996 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор географических наук, профессор /Р//Т-1 В. И. Мозжерин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертационной работы определяется: важностью исследовательских и прикладных задач, решаемых с помощью аэростатических летательных аппаратов (АЛА) на высотах 25-50 км;

недостаточной изученностью метеорологических процессов средней и верхней стратосферы применительно к задачам воздухоплавания ;

практическим отсутствием оперативных метеорологических данных на высотах 25-50 км;

отсутствием методик метеорологического обеспечения непродолжительных (до 24 часов) полетов АЛА в верхней стратосфере.

Цель работы состоит' в исследовании пространственно-временной структуры и динамики метеорологических полей стратосферы в интересах совершенствования информационного обеспечения полетов АЛА.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

провести исследование статистической структуры ветра и температуры воздуха в стратосфере;

определить типовые траектории полетов АЛА в средней и верхней стратосфере;

разработать алгоритм подготовки метеорологических данных для программы имитационного моделирования полетов АЛА;

разработать метод восстановления метеорологических величин для высот 25-50 км по данным нижележащих уровней;

разработать методику метеорологического обеспечения непродолжительных полетов АЛА в средней и верхней стратосфере.

Научная новизна и основные результаты работы заключаются:

в разработке метода восстановления значений метеорологических величин для высот 25-50 км по данным нижележащих уровней;

в получении новых количественных оценок пространственно-временной структуры ветра и температуры воздуха в стратосфере;

в получении новых количественных оценок статистической связи между солнечной активностью и вариациями полей геопо-

тенциала в средней стратосфере.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке:

алгоритма подготовки метеорологических данных для программы имитационного моделирования полетов АЛА;

алгоритма восстановления значений метеорологических величин в средней и верхней стратосфере по данным нижележащих уровней;

методики метеорологического обеспечения непродолжительных полетов АЛА на высотах 25-50 км.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются:

- в Долгопрудненском КБ автоматики министерства авиационной промышленности при проектировании, разработке и лет-но-конструкторских испытаниях АЛА нового поколения;

- в Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН при метеорологическом обеспечении непродолжительных полетов исследовательских АЛА на высотах 25-50 км;

- в Воздухоплавательном Центре России (ВЦР) при оперативном метеорологическом обеспечении полетов опытных и серийных образцов АЛА различного назначения.

Результаты исследований могут быть также использованы в учебном процессе при подготовке инженеров-метеорологов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оценки статистических характеристик метеорологических величин для программы имитационного моделирования полетов АЛА.

2. Алгоритм восстановления значений метеорологических величин в средней и верхней стратосфере по данным нижележащих уровней.

3. Методика метеорологического обеспечения непродолжительных полетов АЛА.

4. Результаты исследований по оценке влияния солнечной активности на изменения полей геопотенциала.

Апробация результатов. Работа является итогом исследований, выполненных автором в 1988-1993 годах в НИР: шифры "Попурри", "Макет", "Протокол". Результаты работы обсуждены на научно-технических семинарах Казанского государственного университета, Военно-космической Краснознаменной академии

имени А.Ф. -Можайского, ВЦР в 1989-1995 годах, на научных Чтениях К.Э. Циолковского, секция "Авиация и воздухоплавание" (Калуга, 1987-1994 гг.), на II и III Научно-технических конференциях Воронежского ВВАМУ (1989, 1992 гг.). В полном объеме работа рассматривалась на научно-технических семинарах Казанского государственного университета и ВЦР.

Результаты диссертационной работы реализованы в следующих организациях:

- в Вольской экспедиционной базе Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук;

- в 49 летно-испытательной станции Долгопрудненского КБ автоматики министерства авиационной промышленности;

- в Воздухоплавательном центре России.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, работа содержит 30 рисунков и 20 таблиц. Список использованных литературных источников включает 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, оценена научная новизна и практическая ценность работы, приведен перечень положений, выносимых на защиту.

В первом разделе приведены оценочные данные влияния параметров внешней среды на полет АЛА в верхней стратосфере, проведен анализ работ по исследованию структуры и динамики метеорологических полей стратосферы, сформулирован вывод о необходимости проведения дополнительных исследований применительно к задачам воздухоплавательной метеорологии и представлены результаты исследований статистической структуры вертикального распределения ветра и температуры воздуха в стратосфере.

Оценка влияния параметров внешней среды на полет АЛА производилась методом математического моделирования. Весовые и геометрические характеристики модельного АЛА были получены с использованием программы определения весовых и геометрических характеристик АЛА по заданным техническим требованиям,

разработанной Ковалевой Л.И. и Лейтесом Г.М. /1977/. В качестве исходных данных при этом использовались технические требования для АЛА нового поколения, разработанные Дмитриевым A.C. /1989/. В качестве показателя суммарного влияния атмосферы на полет АЛА принимался суточный расход балласта (СРВ). Установление частных зависимостей СРВ от влияния параметров внешней среды было получено с использованием модели, разработанной в Долгопрудненском КБ автоматики министерства авиационной промышленности /1987/.

Результаты модельных расчетов показали, что СРБ прямо пропорционален альбедо облачного покрова. С изменением формы облаков расход балласта может измениться вдвое, а количественные вариации облачности от 0 до 10 баллов приводят к его трехкратному увеличению. Исследование зависимости СРБ от температуры окружающего воздуха показало, что с увеличением средней температуры воздуха в слое полета на каждые 10 градусов происходит уменьшение СРБ на 5-7%. Анализ результатов модельных расчетов СРБ, соответствующих различным величинам вертикальных градиентов температуры воздуха в слое полета АЛА, позволил сделать вывод о том, что с увеличением продолжительности полета это влияние становится более весомым. Наблюдается прямая эмпирическая зависимость между расходом балласта и величиной вертикального градиента температуры воздуха в слое полета.

По результатам анализа научной литературы сделан вывод о необходимости проведения дополнительных исследований в интересах совершенствования метеорологического обеспечения полетов АЛА.

Приведены данные о вертикальной статистической структуре ветра и температуры воздуха в стратосфере. В качестве исходного материала для вычисления статистических характеристик в слое 12-24 км послужили данные радиозондирования атмосферы на о. Хейса и ст. Волгоград, а в слое 25-55 км -данные ракетного зондирования на этих же станциях за период с 1967 по 1988 годы. Объем исходных данных о ветре составил для о. Хейса 1382, для ст. Волгоград - 1248 случаев, а о температуре воздуха - 1306 и 1082 случая для каждой из станций 'соответственно.

Анализ показал, что подготовленный архив удовлетворяет

требованиям-однородности, случайности, независимости и стационарности.

Оценки статистических характеристик ветра и температуры воздуха для всех сезонов года получены с пространственным разрешением по вертикали, равным 1 км, и выполнен их детальный анализ.

В интересах сжатия признакового пространства произведено разложение высотных профилей метеорологических величин по естественным ортогональным функциям и сделан вывод, что для описания вариаций температуры воздуха во всей стратосфере с точностью 83-98% достаточно 5 собственных векторов. При использовании такого же количества собственных векторов для ветра будет описано от 86 до 97% дисперсии. В годовом ходе максимальная сходимость разложений для рассмотренных метеорологических величин отмечается зимой и осенью, а минимальная - летом.

Во втором разделе представлены результаты исследований годового хода ветра и температуры воздуха в слое 25-50 км с осреднением по десятидневному периоду.

Оценка годового хода средних декадных значений составляющих вектора ветра в средней и верхней стратосфере позволила определить наиболее благоприятные, исходя из возможностей прогнозирования траекторий полетов, периоды применения АЛА. В умеренных широтах такие периоды отмечаются с третьей декады мая по третью декаду августа и с третьей декады сентября по третью декаду ноября. Проведение научных экспериментов с использованием АЛА в воздушном пространстве основного полигона Вольской экспедиционной базы Физического института имени П.Н. Лебедева РАН наиболее целесообразно в периоды с третьей декады апреля по вторую декаду мая и с третьей декады августа по вторую декаду сентября.

Анализ годового хода средних декадных значений температуры воздуха в средней и верхней стратосфере показал, что наиболее продолжительные полеты АЛА с оболочками открытого типа возможны в теплое время года, когда инверсионное распределение температуры воздуха с высотой способствует значительному уменьшению СРВ.

В разделе приведены также оценки влияния солнечной активности на вариации полей геопотенциала в средней стратос-

- е -

фере для теплого периода года. В качестве исходного материала были использованы ежедневные данные о геопотенциале в широтной полосе 20-90° с.ш. на изобарических поверхностях 30 и 10 гПа, представленные в узлах географической сетки с шагом 10° по широте и 5° вдоль меридиана, и ежедневные числа Вольфа за период с 1964 г. по 1991 г. Объем выборки составил 1800-2000 случаев для каждого из узлов.

Анализ результатов показал, что на всей рассматриваемой территории Северного полушария существует удовлетворительная положительная корреляционная связь между значениями геопотенциала в средней стратосфере и уровнями солнечной активности. Эта связь увеличивается с высотой и наиболее ярко проявляется в широтной зоне 20-35° с.ш. Наиболее гелиогеофи-зически активной является стратосфера в III и восточной части II естественных синоптических районов (классификация Б.П. Мультановского).

В этом разделе также предложен алгоритм подготовки метеорологических данных для программы имитационного моделирования полетов АЛА в средней и верхней стратосфере, которая используется на этапе перспективного планирования полетов АЛА или при проектировании и разработке новых образцов АЛА. На этом этапе метеорологического обеспечения данные должны быть представлены в виде климатических показателей вдоль предполагаемых типовых траекторий полетов АЛА, которые в свою очередь должны быть определены из совокупности всевозможных модельных траекторий.

Модельные траектории полетов АЛА определялись для теплого (май-август) и холодного (ноябрь-февраль) периодов года и рассчитывались для высот 30, 35, 40 и 45 км в полосе широт 30-80° с.ш. Для получения модельных траекторий вблизи высоты 30 км использовался архив ежедневных данных о геопотенциале на изобарической поверхности 10 гПа в узлах географической сетки с шагом 10° по широте и 5° вдоль меридиана за период с 1964 г. по 1985 г. Для расчета этих траекторий полетов АЛА на высотах 35, 40 и 45 км использовались значения давления в узлах с шагом 10° вдоль широты и вдоль долготы за период с 1975 г. по 1989 г. Для расчета использована геострофическая модель горизонтального движения в конечно-разностном виде:

„ . 1 ДЯ 180 ...

Ф = </>„ + — * - ■ -* А t,

i А Л л-iR+Z)

X = А - - • —--1*0—■ д«.

е 0 I л-(R+Z) • cos <р0

где и ^о - текущие и начальные координаты

движущейся точки соответственно; Н - геопотенциал; л - безразмерная константа; I - параметр Кориолиса; R - средний радиус Земли; Z - высота полета АЛА; Д* - интервал времени. Продолжительность полетов АЛА во всех расчетах не превышала 7 суток. Интервал времени принимался равным одному часу.

Для кластерного анализа модельных траекторий использовался модифицированный алгоритм последовательной иерархической классификации, разработанный Ременсоном В.А. и Аникиным А.Н. /1983/. В качестве признаков классификации служили географические координаты временных отметок, кратных шести часам, на модельных траекториях полетов АЛА. Степень сходства траекторий определялась по минимуму квадрата евклидова расстояния между одноименными временными отметками на модельных траекториях. В результате классификации были получены типовые траектории полетов АЛА и их средние квадратические отклонения (СКО) для каждого из пунктов запуска.

Анализ типовых траекторий полетов АЛА показал, что в период с 1 по 15 мая и после 20 августа восточные ветры на исследуемых высотах, как правило, слабы по скорости и неустойчивы по направлению, что выражается в значительных отклонениях траекторий от широтных кругов в эти периоды года. В течение 85-95 дней, т.е. с 15-20 мая по 15-20 августа, на высотах 30-45 км все типовые траектории АЛА группируются в виде пучка, ориентированного вдоль широтного круга, а средняя типовая траектория практически совпадает с географической широтой точки запуска. Для каждой из рассматриваемых высот летнего периода выделено по 4-6 типовых траекторий, которые различаются между собой только скоростями смещения АЛА. С подъемом на каждые 5 км скорость ветра возрастает в среднем на 10-15 км/ч. Повторяемость всех выделенных классов траекторий летом приблизительно одинаковая. Из сравнения модельных траекторий АЛА, полученных для различных пунктов за-

пуска умеренных широт, следует, что их конфигурация при антициклоническом типе циркуляции практически не зависит географических районов, запуска.

В холодный период года воздушные потоки более изменчивы, чем летом. В результате классификации модельных траекторий для холодного полугодия выделено на каждой высоте по 4-11 типовых траекторий, различающихся между собой как своей ориентацией, так и скоростью смещения АЛА. При этом конфигурация и другие характеристики траекторий АЛА изменяются с изменением от географической долготы. Повторяемость типовых траекторий также различна.

В работе также приведен алгоритм подготовки метеорологических данных вдоль типовых траекторий для программы имитационного моделирования полетов АЛА. Он включает в себя следующие шаги:

1-й шаг: Из таблиц географических координат суточных отметок типовых траекторий полетов АЛА для заданного сезона, высоты, продолжительности и периода полета снимаются значения координат местоположения АЛА и их СКО.

2-й шаг: По координатам местопол<5жений АЛА и его высоте полета из данных, представленных в 1-ом разделе диссертационной работы или справочной атмосферы, определяются средние значения и СКО температуры воздуха.

3-й шаг: С карт климатического районирования Северного полушария по режиму облачности снимаются повторяемости градаций количества облачности 0-2, 3-7 и 8-10 баллов и рассчитываются средние значение количества облачности.

4-й шаг: С климатических карт повторяемостей основных форм облаков снимаются значения их повторяемостей и, используя таблицу средних значений альбедо различных форм облаков, рассчитывается среднее значение альбедо облаков.

5-й шаг: С карт альбедо Земли снимаются средние значения альбедо подстилающей поверхности для заданного сезона вдоль типовых траекторий полетов АЛА.

6-й шаг: Рассчитывается альбедо системы "Земля-атмосфера".

7-й шаг: Для преобладающих форм облаков определяется высота их верхних границ.

Данные, подготовленные по изложенному алгоритму, служат

основой для расчета остальных геофизических параметров, необходимых для программы имитационного моделирования полетов АЛА.

В третьем разделе представлены результаты решения задачи оперативного метеорологического обеспечения полетов АЛА. Для этого потребовалось разработать алгоритм восстановления значений метеорологических величин в средней и верхней стратосфере по данным нижележащих уровней и методику краткосрочного прогнозирования траекторий полетов АЛА.

Изложены методические подходы по использованию различных математических методов для экстраполирования значений метеорологических величин в средней и верхней стратосфере по данным нижележащих уровней. Проведена оценка возможности использования для этой цели метода множественной регрессии (метод 2), заимствованного из сборника "Алгоритмы и программы восстановления зависимостей" под редакцией Вапника В.Н. /1984/; метода аналогов (метод 3) и климатического метода восстановления значений метеорологических величин с учетом их временного хода (метод 4), разработанного автором диссертационной работы.

Для оценки точности восстановления использовались данные ракетного зондирования на ст. Волгоград и о. Хейса. Анализ успешности восстановления ветра и температуры воздуха различными методами произведен для теплого и холодного сезонов года. При оценке точности вертикального восстановления значений метеорологических величин в стратосфере по данным нижележащих уровней исходили из следующего. Исходная выборка была поделена на обучающую и экзаменационную. В обучающую выборку вошло 66% информации. Каждый третий вертикальный профиль образовал экзаменационную выборку. Для каждого профиля экзаменационной выборки предполагалось отсутствие данных выше заданной высоты и он подвергался восстановлению одним из методов с использованием статистических характеристик, вычисленных по материалам обучающей выборки. Предполагалось, что исходная информация для восстановления имелась до высоты 25 км, поскольку этой высоты достигает значительная часть всех выпущенных радиозондов. Критерием точности восстановления служила среднеквадратическая ошибка (СКОш).

Анализ результатов восстановления, приведенных в табли-

це, показал, что летом в средней и верхней стратосфере уме ренных широт максимальные ошибки наблюдаются при восстанов лении значений скорости зонального ветра и температуры воз духа по среднесезонным климатическим данным (метод 1), а ми нимальные - при использовании климатического метода восста новления значений метеорологических величин с учетом их вре менного хода. СКОш восстановления этим методом зонально составляющей вектора ветра в слое 30-42 км составили 2.9-ЗЛ м/с, а в слое 43-50 км - 4.6-7.1 м/с. Температура воздух; восстанавливается в слое 30-42 км с СКОш 1.8-2.8°С, а выпи этих уровней - с СКОш 3.0-4.5°С. Ошибки восстановления меридионального ветра любым из использованных методов велики.

Восстановление составляющих вектора ветра в летне! стратосфере полярных широт любым из использованных методо] не имеет преимуществ по сравнению с применением климатических данных. При восстановлении значений температуры воздухг предпочтительно использовать климатический метод восстановления метеорологических величин с учетом их временного хода. В этом случае СКОш восстановления значений температуры воздуха в слое 30-50 км на 35-45% меньше, чем при использованш среднесезонных данных.

Численные эксперименты, проведенные на ЕС ЭВМ 1036, показали, что летом учет фактических распределений необходю для восстановления скорости зонального ветра и температур! воздуха только в вышележащем двухкилометровом слое. Пр] восстановлении вертикальных профилей этих метеорологически; величин с учетом фактического значения на последнем информативном километровом уровне и их климатических вертикальны) градиентов достигаются минимальные ошибки. В более верхнгс слоях стратосферы целесообразно принимать значения метеорологических величин равными климатическим ежедневным данным.

Разработан и представлен алгоритм восстановления значе ний метеорологических величин в средней и верхней стратосфе ре для теплого периода года. Для восстановления значений ме теорологических величин в средней и верхней стратосфере Ниж него и Среднего Поволжья в течение летнего периода использу ются следующие исходные материалы:

текущие данные о ветре и температуре воздуха на каждо] километре еысоты над пунктом старта (не ниже 24 км);

Таблица

Среднеквадратические ошибки восстановления скорости зонального ветра (6Ц) и температуры воздуха (¿т) и их доверительные полуинтервалы (/Л„) при Я> =0.95

I I г

Характеристика

Метод

Высота, км

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

32 | 34 | 36 | 38 | 40 | 42 | 44 | 46 | 48 | 50

'_I_1_I_I_I_I_I_I_

1 2

3

4

1 2

3

4

1 2

3

4

I_I

6«

1 А,/1 ¿и

I fi.ll ¿>

I

и

А,П

ё>Т

¿З-р

¿Т

£ А"

¿г 1л,п ¿г 1/>,п <От 1/>,п ¿>г

I А"

ст. Волгоград, лето, количество случаев 80

-1-I-1-1-1-1-1-1-г

10.9|12.6|14.б|15.6|16.8|19.0|20.7|21.9|24.2|27.2

1.7| 4.91

2.0| 5.7|

2.4| 2.6| 3.0! 3.3| 3.4) 3.8| 4.3 7.8| 8.4|10.1|12.1|13.3|14.7|15!6 1.3| 1.6| 1.9| 2.1| 2.3| 2.4 5.8| 5.4| 6.4| 7.5| 0.9| 0.8| 1.0| 3.2| 3.1| 3.2| 3.3| 3.4| 3.8| 4.6|

О.8| 0.9| 3.7| 4.3|

2.3| 6.8| 1.0| 5.3|

1.2| 5.7|

0.6| 0.0.8| 0.9|

1.2|

9.3 1.5

0.5| 0.5| 0.5| 0.6| 0.7| 0.7| 0.9(

7.6| 1.2| 5.8| 6.5| 7.1 1.0| 1.1| 1.3

ст. Хейса, лето, количество случаев 79

3.9| 0.6| 3.2| 0.5| 3.5| 0.6| 2.4| 0.41

4.4| 0.7| 3.6| 0.61 3.9| 0.61 2.4| 0.41

-г

5.3| 0.8| 4.3| 0.7| 5.0| 0.8| 3.0| 0.51

5.4| 0.91 4.2| 0.7| 5.0| 0.81 3.2| 0.5)

И 0| И 8| 71 91 8| 6|

6.7| 1.1| 5.5| 0.9) 5.8| 0.91 3.91 0.6)

6.7| 1.1| 5.2| 0.8| 5.6| 0.9) 3.8| 0.6)

6.8| 1.1| 5.4| 0.91 5.7| 0.9| 3.9| 0.6|

6.8( 1-1| 6.2| 1.0| 5.91 0.91 4.1| 0.61

6.9 1.1 6.9 1.1 6.4 1.0 4.2 0.7

ст. Волгоград, лето, количество случаев 66

3.1| 0.51 2.4| 0.4| 2.9| 0.51 2.5| 0.4|

3.7| 0.6| 2.8| 0.51 3.8| 0.6( 2.5| 0.4|

3.6| 0.6| 3.2| 0.51 4.0| 0.71 2.6| 0.41

3| 6| 5| 6| 0( 71 И 4|

3.7| 0.6| 4.1| 0.7( 3.8| 0.6| 2.4| 0.41

4.6( 0.8| 4.3| 0.7| 5.1| 0.9| 2.8| 0.5|

5.2| 0.9| 4.91 0.8| 5.6| 1.0| 3.0| 0.5|

5.91 1.0| 5.7| 1.0| 5.6| 1.0| 3.6| 0.6|

б.з! 1.11 6.11 1.0| 5.8| 1.0| 4.0| 0.7|

5.6 1.0 6.1 1.0

5.7 1.0 4.5 0.8

- 14 -

многолетние данные о сезонном ходе средней скорости зо нальной ветра и температуры воздуха на высотах 25-50 км.

Порядок восстановления значений метеорологических вели чин заключается в следующем.

1. С использованием коэффициентов полиномов, алпрокси мирующих сезонные распределения, вычисляются значения ско рости зонального ветра и температуры воздуха.

2. С учетом фактических значений скорости ветра и тем пературы воздуха на последнем информативном километрово уровне и их климатических градиентов восстанавливается ско рость ветра и температуры воздуха в вышележащем двухкиломет ровом слое.

3. С высоты (Н0+3), вплоть до 50 км, скорость зонально го ветра и температура воздуха на каждом километре высот принимаются равными климатическим с учетом их внутрисезонно го хода.

4. В восстановленные значения скорости зонального ветр и температуры воздуха вводятся поправки на географическо (широтное) расположение района применения АЛА.

5. Направление ветра в восстанавливаемом слое принима ется равным климатическому, т.е. 90°.

6. По барометрической формуле атмосферы, с использова нием давления на последнем информативном километровом уровн и восстановленных значений температуры воздуха, производите расчет давления на каждом километре высоты.

7. Зная распределение давления по высоте, с использова нием уравнения состояния сухого воздуха вычисляется плот ность воздуха на каждом километре высоты.

Анализ результатов восстановления показал, что ни оди из использованных методов нельзя рекомендовать для восста новления ветра и температуры воздуха в средней и верхне стратосфере зимой.

В этом разделе изложена также методика метеорологичес кого обеспечения непродолжительных полетов АЛА в средней верхней стратосфере. Разработанная методика позволяет осу ществлять прогнозирование траекторий полетов АЛА продолжи тельностью до 24 часов, выполняемых в период с 20 мая по 2 августа. В основе этой методики используется следующее.

1. Свойство воздушных потоков в средней и верхней стра

тосфере сохранять свою скорость и ориентацию практически неизменной в течение суточного интервала времени.

2. Выявленная в ходе исследований внутрисезонная изменчивость зональной составляющей вектора ветра на этих высотах.

Для разработки прогноза траекторий полетов АЛА используются следующие исходные материалы:

текущие данные о ветре на каждом километре высоты над пунктом старта (не ниже 24 км) и в предполагаемом районе полета АЛА;

многолетние данные о сезонном ходе средней скорости зонального ветра на высотах 25-50 км;

априорный профиль полета АЛА.

Последовательность расчетов при прогнозировании траекторий полетов АЛА.

1. Восстанавливается скорость зонального ветра, значения температуры и плотности воздуха от высоты верхнего уровня радиозондирования атмосферы до максимальной высоты полета АЛА.

2. По существующим методикам, используя фактические и восстановленные метеорологические данные, производится расчет аэростатных данных и расчет ожидаемых координат точки выхода АЛА на заданную высоту полета.

3. Направление смещения АЛА в слое его функционирования после подъема на высоту горизонтального полета прогнозируется западным.

4. Прогноз дальности полета АЛА разрабатывается в следующем порядке:

с использованием априорного профиля определяется время полета АЛА на каждом из километровых уровней;

дальность полета принимается равной сумме дальностей на каждом километровом уровне в соответствии с априорным профилем.

5. Для разработки прогноза координат точки приземления научной и специальной аппаратуры АЛА используются данные о ветре на высотах над пунктами зондирования (ближайшими к точке начала снижения АЛА), предварительно восстановленные до высоты полета АЛА. Координаты точки приземления аппаратуры АЛА рассчитывается по существующей в ВЦР методике.

В связи с ограниченным количеством экспериментального

материала о полетах АЛА на высотах 40-50 км оценка результативности применения разработанной прогностической методики проводилась с использованием 43 траекторий реальных полетов АЛА в слое 27-35 км. Запуски АЛА осуществлялись летом с полигона Вольской экспедиционной базы Физического института имени П.Н. Лебедева РАН в период с 1975 г. по 1990 г. Для оценки использовались участки траекторий полетов АЛА над Средним Поволжьем. Вычисление ошибок прогнозирования производилось для временных отметок на траекториях АЛА, кратных 8 часам, путем сравнения реальных траекторий с прогностическими. Прогностические траектории разрабатывались с использованием как известного синоптико-статистического метода, так и с помощью новой методики. Результаты вычислений показали, что использование предлагаемой методики метеорологического обеспечения позволяет уменьшить ошибку прогнозирования дальности полета на 4, 15 и 18% для продолжительностей полета 8, 16 и 24 часов соответственно. Кроме того, траекторные данные об уникальных полетах АЛА на высотах 40-50 км, выполненных в 1995 году, подтверждают удовлетворительную сходимость прогностических и фактических траекторий.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы: ■

1. Проведено моделирование влияния метеорологически) параметров на полет АЛА в верхней стратосфере. Анализ результатов численных экспериментов показал, что с изменение» формы облаков СРВ может измениться вдвое, а количественны* вариации облачности от 0 до 10 баллов приводят к его трехкратному увеличению. Повышения средней температуры воздуха : слое полета на каждые 10 градусов приводят к уменьшениям СР: на 5-7%. Установлена прямая эмпирическая зависимость межд СРВ и величиной вертикального градиента температуры воздух в слое полета АЛА. Наблюдаемые изменения вертикального гра диента температуры воздуха могут вызывать пятикратные вариа ции необходимого запаса балласта на борту АЛА.

2. Проведено разложение высотных профилей метеорологи ческих величин по естественным ортогональным функциям и пс казано, что для описания вариаций температуры воздуха в слс 12-50 км с точностью 83-98% достаточно пяти собственных вер торов. При использовании такого же количества собственнь

векторов для составляющих вектора ветра будет описано от 86 до 97% дисперсии. В годовом ходе максимальная сходимость разложения для этих метеорологических величин отмечается зимой и осенью, а минимальная - летом.

3. Оценка годового хода средних декадных.значений составляющих вектора ветра в средней и верхней стратосфере позволила определить наиболее благоприятные, исходя из возможностей прогнозирования траекторий полетов, периоды применения АЛА. В умеренных широтах такие периоды отмечаются с третьей декады мая по третью декаду августа и с третьей декады сентября по третью декаду ноября. Проведение научных экспериментов с использованием АЛА в воздушном пространстве основного полигона Вольской экспедиционной базы Физического института имени П.Н. Лебедева РАН наиболее целесообразно планировать в периоды с третьей декады апреля по вторую декаду мая и с третьей декады августа по вторую декаду сентября. Анализ годового хода средних декадных значений температуры воздуха в средней и верхней стратосфере показал, что наиболее продолжительные полеты АЛА с оболочками открытого типа возможны в теплое время года, когда инверсионное распределение температуры воздуха с высотой способствует значительному уменьшению СРВ.

4. Проведено исследование влияния солнечной активности на изменения полей геопотенциала в средней стратосфере. Установлено, ' что существует удовлетворительная положительная корреляционная связь между значениями геопотенциала над территорией Северного полушария в широтной полосе 20-90° и уровнями солнечной активности. Эта связь увеличивается с высотой и наиболее ярко проявляется в широтной зоне 20-35° с.ш. Наиболее гелиогеофизически активной является стратосфера в III и восточной части II естественных синоптических ра-' йонов (по классификации Б.П. Мультановского).

5. В интересах подготовки метеорологических данных для перспективного планирования полетов АЛА в средней и верхней стратосфере проведено моделирование полетов АЛА на высотах 30-45 км при их запуске с полигонов Вольской экспедиционной базы Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и осуществлена типизация полученных модельных траекторий для каждого полигона. Предложен алгоритм подготовки данных для

- 18 - I

программы имитационного моделирования полетов АЛА в средней' и верхней стратосфере, показаны возможности их расширения за счет использования параметров глобально-региональных моделей атмосферы.

6. Проведена оценка возможностей применения метода множественной регрессии, метода аналогов и нового климатического метода восстановления метеорологических величин с учетом их временного хода для восстановления вертикальных профилей метеорологических величин по данным нижележащих уровней.

Минимальные ошибки для теплого сезона года получены при использовании климатического метода восстановления метеорологических величин с учетом их временного хода. СКОш восстановления зонального ветра с использованием этого метода для умеренных широт составляют 2.9-3.8 м/с в слое 30-42 км и 4.6-7.1 м/с - в слое 43-50 км. Температура воздуха в слое 30-42 км восстанавливается с СКОш 1.8-2.8°С, а выше 42 км -с СКОш 3.0-4.5°С. Ошибки восстановления температуры воздуха в полярных широтах также на 35-45% меньше, чем при использовании среднесезонных данных и составляют 2.4-3.2°С для высот 30-38 км и 3.8-4.2°С для высот 40- 50 км. Ни один из использованных методов нельзя рекомендовать к применению для восстановления ветра и температуры воздуха в стратосфере зимой.

7. Разработан алгоритм восстановления вертикальных профилей ветра и температуры воздуха в средней и верхней стратосфере умеренных широт, в основу которого положен климатический метод восстановления метеорологических величин с учетом их временного хода. В качестве исходных данных используются данные температурно-ветрового зондирования атмосферы в слое 12-25 км, коэффициенты полиномов второй степени, аппроксимирующие временной ход ветра и температуры воздуха на высотах 25-50 км.

8. Разработана методика метеорологического обеспечения непродолжительных полетов АЛА в средней и верхней стратосфере летом. Проверка результативности ее применения, проведенная для высот 27-35 км, показала, что использование предлагаемой методики позволяет уменьшить, в сравнении с ранее разработанным в ВЦР синоптико-статистическим методом, ошибку прогнозирования дальности полета АЛА на 4, 15 и 18% для про-должительностей полета 8, 16 и 24 часов соответственно. Тра-

екторные данные об уникальных полетах АЛА на высотах 40-50 км подтверждают удовлетворительную сходимость прогностических и фактических траекторий.

Результаты исследований являются научно-методической основой для метеорологического обеспечения перспективного планирования полетов АЛА в течение всего года и метеорологического обеспечения текущего планирования полетов АЛА в течение теплого периода года.

Основные результаты диссертационных исследований представлены в следующих работах:

1. Отчет о НИР. Шифр "Макет". - в/ч 52527, 1991. - с. 21-61, 104-223.

2. Шершнев A.M. Восстановление вертикальных профилей метеорологических величин в летней стратосфере в интересах планирования полетов аэростатов на высотах 30-50 км // Тез. докл. на III научно-техн. конф. ВВВАИУ. - Воронеж, 1992 г. -С. 23-25.

3. Шершнев A.M., Герасименко А.Н., Пивоваров И.И. Влияние параметров внешней среды на проведение аэростатных исследований на высотах 30-50 км // Тр. XXVII научных чтений К.Э.Циолковского. - М: Изд-во ИИЕТ АН СССР, 1992. - с. 52-57.

4. Шершнев A.M., Герасименко А.Н., Пивоваров И.И. К вопросу метеорологического обеспечения полетов аэростатов на высотах 30-50 км в летней стратосфере // Тр. XXVII научных чтений К.Э. Циолковского. - М: Изд-во ИИЕТ АН СССР, 1992. -с. 58-63.

5. Отчет о НИР. Шифр "Протокол". - в/ч 52527, 1993 г. -с. 17-28.

6. Шершнев A.M., Заводченков В.А. Метеорологические особенности перспективного планирования полетов аэростатов в верхней стратосфере // Сб. трудов ВВВАИУ вып. 15. - Воронеж: Изд-во ВВВАИУ, 1994 г. - С. 15-20.

7. Переведенцев Ю.П., КащеевЛ.А., Заводченков В.А., Шершнев A.M. Представление вертикального распределения ветра и температуры воздуха в стратосфере посредством естественных ортогональных функций // Анализ и прогноз метеоэлементов и речной сток. Вопросы охраны атмосферы: Сб. науч. трудов. -Пермь: Изд-во