Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Математическое моделирование состояния средней атмосферы при информационном геофизическом обеспечении применения технических систем

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование состояния средней атмосферы при информационном геофизическом обеспечении применения технических систем"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ПРИ ИНФОРМАЦИОННОМ ГЕОФИЗИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность: 11.00.09-Метеорология, климатология,

агрометеорология

На правах рукописи

ГРЕК Петр Владимирович

УДК 551.509:551.510

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Военной инженерно-космической академии имени А.Ф. Можайского.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук профессор ЕГОРОВ А.Д.

- кандидат физико-математических наук КУЗЬМИНА С.И.

Ведущая организация: войсковая часть 48254 (37 НИИ МО РФ)

Защита состоится " 26 " ноября 1998 г. в 15 часов 30 минут на заседании специализированного совета Д 063.19.02 при Российском государственном гидрометеорологическом институте

по адресу:

195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического института.

СУВОРОВ с.с.

доктор физико-математических наук профессор СОЛДАТЕНКО С.А.;

Автореферат разослан " 23 " октября 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.19.02 доктор физико-математических наук профессор

' ДИВИНСКИЙ Л.И.

Подписано к печати 12.07.98 Печ. л. 1 Зак. 389 Тир.80 Тип. ВИКА имени А.Ф.Можайского

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время значительно возрос интерес к сследованию средней атмосферы. Прежде всего это было обусловлено еобходимостью оценки влияния вариаций солнечной активности и нтропогенных воздействий на климат. Кроме того, учет процессов, роисходящих в средней атмосферы, важен для повышения качества ¡рогнозов погоды средней и большей заблаговременное™, так как инамическое взаимодействие между тропосферой и средней тмосферой может оказывать существенное влияние на вариации ропосферной циркуляции с временными масштабами от нескольких [ней до нескольких месяцев.

В работах как отечественных, так и зарубежных ^следователей продемонстрировано, что атмосфера как еофизический фактор оказывает существенное влияние на ход »пераций с применением ТС и их исход. Причем влияние ветра и термодинамических параметров атмосферы на высотах СА значимо *аже при невысоких аэродинамических качествах обеспечиваемых >бъектов. Количественные оценки степени этого влияния ¡видетельствуют о том, что неучет вариаций указанных параметров 1ри планировании применения рассматриваемых систем может привести к недостижению целей операции.

Все это говорит о том, что совершенствование методического шпарата геофизического обеспечения (ГФО) функционирования как существующих, так и перспективных ТС является мощным средством повышения эффективности операций с применением этих ТС.

Вопросам разработки методов прогнозирования и диагностики ГФУ протекания процессов функционирования различного рода ТС на высотах СА посвящено значительное количество работ. Обобщая конкретные задачи и проблемы, рассмотренные в этих работах, можно сказать, что основная цель этих исследований обычно состояла в необходимости разработки метода прогнозирования состояния СА или ГФУ функционирования конкретной ТС.

Для синтеза моделей атмосферы использовались либо физико-статистический, либо гидродинамический подходы. На пути решения этих задач получены значимые как в теоретическом, так и в прикладном плане результаты.

Кроме того, к настоящему времени получены существенные результаты в рамках проблем специализации прогнозов и синтеза специализированных методов прогнозирования ГФУ в СА. В работах

Ю.Н. Волконского, С.С. Суворова авторами была высказана иде учета особенностей обеспечиваемой системы на этапе построени метода прогнозирования ГФУ, что также позволяет существенн повысить качество методов ГФО.

Актуальность темы диссертационных исследовани; определяется:

- непрерывным совершенствованием ТС, повышением уровня и конструкционного и технологического исполнения и, как следстви< усилением зависимости эффективности их применения от ГФУ;

- необходимостью совершенствования методического аппарата ГФ' функционирования ТС на высотах СА;

-необходимостью дальнейшего исследования морфологии динамики процессов, протекающих в СА.

Целью диссертационной работы является разработа комплекса математических моделей использование которых в методе прогнозирования и диагностики состояния СА, реализуемых в хо; ГФО * функционирования ТС позволит повысить эффективное] применения ЛА.

Для достижения поставленной цели необходимо было реши-следующие задачи исследования:

1)сформулировать требования к моделям С А, определить наибол перспективные задачи, решение которых привело бы к построени моделей, удовлетворяющих этим требованиям;

2)проанализировать и оценить степень влияния средней атмосферы ] протекание процесса функционирования технических систем;

3)выработать требования к диагностической информации геофизических условиях применения обеспечиваемых систем;

4)определить наиболее перспективные направления синте специализированной модели средней атмосферы;

5)разработать модель стационарных планетарных волн;

6)оценить качество построенной специализированной модели СА. Научная ценность и практическая значимость рабег

определяется тем, что:

- разработанная специализированная модель стационарш планетарных волн может быть использована не только п разработке методов геофизического обеспечен функционирования технических систем на высотах среди атмосферы, но и при решении климатических задач и зад экологического плана;

- предложенные в работе методы использования аппарата теории чувствительности при построении специализированных гидродинамических методов диагностики и прогнозирования состояния средней атмосферы предоставляют возможность оценивания степени влияния параметров СА на функционирование различных ТС;

Основные научные результаты и их новизна состоят в следующем:

1. Разработана модель стационарных планетарных волн.

2. Произведено синтезирование моделей состояния САдля ГФО функционирования ТС.

3. Проведена оценка качества специализированной модели СА на примере функционирования ТС.

4. Представлены рекомендации по практическому ипользованию разработанного метода

Основные положения, выносимые на защиту

- модель стационарных планетарных волн;

- процесс синтеза специализированной модели состояния СА для ГФО функционирования ТС;

Результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи синтеза специализированной модели состояния СА в целях совершенствования процессов информационного геофизического обеспечения функционирующих на ее высотах технических систем, а также для решения широкого круга научных и практических задач, касающихся учета динамических процессов, протекающих на высотах средней атмосферы.

Апробация и публикации. Результаты диссертации докладывались и получили одобрение на 23 региональной научно-технической конференции "Распространение радиоволн" (Санкт-Петербург, НИИФ СПбГУ, 1997г.), на научных семинарах Военной инженерно-космической академии им. А.Ф.Можайского, Российского Государственного Гидрометеорологического Университета.

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 депонированных статьях, 2 тезисах докладов, 1 отчете по НИР 'Доступность 7Л' в ВИККА им. А.Ф. Можайского.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего 214 наименований. Общий объем работы составляет 184 страницы, в том числе 15 рисунков и графиков, а также 4 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и задачи исследования, приводится краткая аннотация содержания работы по разделам и формулируются положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу проблем информационного геофизического обеспечения применения технических систем в средней атмосфере. Рассмотрены способы учета влияния СА на функционирование ТС, сформулированы требования к моделям СА. Рассмотрено современное состояние проблемы моделирования СА и процессов, протекающих в ней. Определены наиболее перспективные направления синтеза моделей СА. Описана обобщенная схема синтеза специализированной модели СА

Раздел 1.1 Анализ влияния средней атмосферы на функционирование технических средств.

Автор предполагает возможность определять значения физических характеристик атмосферы путем использования гидродинамических моделей для прогноза состояния страто- и мезосферы - что дает возможность определить характеристики рассеивания траекторий движения аппаратов в плотных слоях атмосферы. В последние годы отчетливо прослеживается прогресс в предвычислении полей температуры, давления и ветра в тропосфере с использованием гидродинамических моделей, построенных на основе полных уравнений гидротермодинамики. Появившееся в последние годы большое количество публикаций отечественных и зарубежных авторов позволяет надеяться на определенный прогресс в данном вопросе. В работе автор останавливает свое внимание именно на этом направлении.

Далее в главе рассматривается вопрос о методах оценивания чувствительности качества применения тех.средств к вариациям состояния СА. Описываются возможные направления путей исследования функций чувствительности или функций влияния.

Затем рассматривается проблема оценки степени влияния риаций параметров атмосферы на

.чество функционирования технических систем. Необходимость шользования аппарата теории чувствительности в данном случае юдиктована тем обстоятельством, что построению модели атмосферы )лжно предшествовать четкое обоснование вопросов о том, какие «физические величины, исходя из степени их влияния на отклонение акгических траекторий от расчетных, должны быть включены в клав модели, с какой точностью и пространственно-временным «решением они должны быть представлены и т.д. Иначе говоря, акие элементы теории чувствительности, в первую очередь, спользовались на этапе качественного анализа решаемых сследователем проблем и задач.

Вторым направлением применения теории чувствительности вляется попытка получения готовых вертикальных профилей ФЧ к ариациям атмосферных параметров как элементов траекторий ТС, так построенных на их основе показателей качества функционирования истемы, с целью их дальнейшего практического использования при чете вклада различных слоев атмосферы в интегральное рассеивание раекторий ТС.

И наконец, третье направление представляет собой синтез (вух вышеназванных. Оно предполагает не только качественный, но и :оличественный учет рассчитанных ФЧ на этапе построения модели 1Тмосферы. При этом параметры модели подбираются таким образом, [то обеспечивается экстремум задаваемого показателя качества функционирования системы.

Делаются попытки построить вертикальные профили ФЧ, тоскольку диапазон высот функционирования ТС достаточно широк, а юдавляющее большинство атмосферных параметров подвержено максимальным вариациям именно в вертикальном направлении.

В работе автор производит подробный анализ публикаций по поблеме использования функций чувствительности, авторы работ по исследованию чувствительности орбитальных характеристик МВКС на различных этапах его функционирования единодушно делают вывод о том, что, характер зависимостей ФЧ от высоты достаточно сложен. Тем не менее, в слоях с экстремальными значениями функций чувствительности отклонения параметров орбиты МВКС от номинальных значений практически линейно зависят от вариаций атмосферных параметров (по отношению к стандартной атмосфере) в

диапазонах All ±50 %, Ар ±10%, AT ±20°. Указанный фа

позволяет использовать представленные в диссертации результаты nj расчетах орбитальных характеристик МВКС практически для во реально наблюдаемых состояний атмосферы.

Раздел 1.2. Требования к моделям, лежащим в основе мето, прогнозирования состояния средней атмосферы.

При геофизическом обеспечении функционирования ТС i высотах страто- и мезосферы должны использоваться moacj состояния СА, использование которых обеспечило бы максимальну эффективность процесса функционирования ТС при выполнении и конкретной задачи.В этом случае, модели должны отвеча' следующим требованиям.

Во-первых, после реализации модели потребитель долже получить информацию о полях: плотности воздуха и ветра.

Во-вторых, параметры состояния СА должны определяться глобальном масштабе (в любой точке Земного шара в интервале высс 20-100 км, причем наиболее важно знать парамегры состояния СА интервале высот 70-90 км).

Автором сформулированы требования к ГФИ, необходимо при обеспечении данных процессов:

Раздел 1.3. Современное состояние проблемы моделировани средней атмосферы и процессов протекающих в ней.

В этом разделе рассмотрена морфология процесс; протекающего в СА. общая структура СА и динамика протекающих ней процессов и обозначен подход к проблеме исследования обще циркуляции атмосферы.

Основными видами движений в СА являются среднезональное течение, планетарные волны, термические приливы внутренние гравитационное волны. Зарождаясь в основном тропосфере и нижней стратосфере и распространяясь в верхние слор указанные типы волн под влиянием различных диссипативны: механизмов и благодаря межмодовому взаимодействию способш оказывать существенное влияние на крупномасштабную циркуляцию i газовый состав атмосферы.

Планетарные волны (ПВ). Говоря о ПВ, обычно выделяют дв, основных типа: немигрирующие ПВ, привязанные к неоднородное™ орографии и температуры подстилающей поверхности, i мигрирующие ПВ тропосферы и стратосферы (волны Россби) Обращается внимание на то, что некоторые волны появляются пере]

ратосферными потеплениями. Предполагается, что возбуждение ационарных планетарных волн в тропосфере обуславливалось за ет тепловых контрастов между сушей и морем.

Также автором подробно подробна проанализирована теория 1утренних гравитационных волн (ВГВ) и атмосферных термических эиливов. Зарождаясь в основном в тропосфере и нижней стратосфере распространяясь в верхние слои, ВГВ способны оказывать /щественное влияние на крупномасштабную циркуляцию и газовый эстав атмосферы.

Вывод. В состояние средней атмосферы наибольший вклад носят следующие процессы:

— среднезональное состояние;

— термические суточный и полусуточный приливы;

— внутренние гравитационные волны;

— стационарные планетарные волны.

Далее, автор проводит анализ существующих моделей ГФО фоцесса функционирования ТС на высотах СА. Делается вывод о гом, что гидродинамические модели могут быть положены в основу метода прогнозирования ГФУ в СА. Это обусловлено, во-первых, их невысокой потребностью в исходной информации и, во-вторых, возможностью проведения прогнозирования за приемлемое для потребителя время. Однако слабым местом таких моделей является значительная априорная неопределенность в значениях их параметров, что требует применения специальных процедур идентификации этих параметров.

Задача установления параметров этих соотношений и представляет собой задачу построения модели.

Процесс прогнозирования при реализации этого подхода представляет собой непрерывный процесс, реализуемый в два этапа:

- усвоение поступивших данных измерений параметров состояния атмосферы и коррекция параметров модели;

— собственно прогнозирование на основе скорректированной модели.

Вывод: учитывая современный уровень информационной освещенности области СА, наиболее приемлемым подходом к построению модели является гидродинамический. При этом сформулированным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет модель, разработанная автором.

Раздел 1.4. Обобщенная схема синтеза специализированно модели средней атмосферы.

Задача синтеза специализированного метод прогнозирования является, по сути своей, задачей синтеза комплекс специализированных моделей атмосферы, на которых основан метод.

На этапе синтеза модели привлекаются методы численног решения задач оптимизации, методы имитационного моделирования Основным способом исследования на этом этапе являете имитационное моделирование. В имитационную модель входят модел функционирования обеспечиваемой системы и имитационная модел поля параметра, влияние которого исследуется. При построени! последней привлекается климатологическая информация I статистической структуре поля исследуемого параметра.

Далее рассмотрены этапы решения задач синтеза модели' ГФО. Показано, что модель атмосферы, используемая в метод прогнозирования ГФУ функционирования ТС в СА, должна (в обще>

случае) включать в себя в качестве блоков следующие модели: »

- .среднезонального термодинамического режима;

- приливных движений;

- планетарных волн.

Геофизическая информация должна быть :

- прогностической; - глобальной; - трехмерной; - содержать значение плотности воздуха и составляющих скорости движения воздуха;

- представлена в удобной для потребителя форме. Так, прр производстве баллистических расчетов информация должна был представлена в виде, обеспечивающем время обращения I атмосферному блоку менее 0.15с.;

- такой, чтобы ее использование при планировании маневра ТС обеспечивало максимально возможную вероятность достижения цели маневра.

Чтобы удовлетворить этим требованиям моделр атмосферы, лежащие в основе методов прогнозирования ее состоянш должны быть: трехмерные; глобальные; нестационарные; давап значения требуемых параметров; обеспечивать требуемук оперативность получения прогноза; адекватно описывать сезонньк вариации параметров СА, вариации, обусловленные приливнымр волнами, стационарными планетарными волнами, а также колебания связанные с изменением уровней солнечной: и геомагнитно? активностей.

Основные выводы по результатам 1 главы:

1. В настоящее время отсутствует архивная эмпирическая информация о ГФУ процесса функционирования ТС с требуемым пространственно-временным разрешением и областью определения. Поэтому отсутствует возможность оценивания эффективности выполнения маневра посадки по фактической информации. Выход видится в проведении имитационного моделирования, в основе которого лежала бы имитационная модель.

2. Для проведения имитационного моделирования необходимо определить наиболее перспективные направления синтеза численных моделей, на основе модели построить специализированные модели среднезонального состояния и стационарных планетарных волн.

3. Качество этих специализированных гидродинамических моделей, используемых при ГФО полета ТС определяется не только полнотой учета физических процессов, протекающих в атмосфере, а также исходя из максимизации показателям эффективности процесса функционирования ТС.

Во второй главе, описаны математические модели основных процессов, протекающих в СА - среднезонального движения и параметризации ВГВ-эффектов, стационарных планетарных волн, термических атмосферных приливных движений.

Переходя к рассмотрению модели стационарных планетарных волн еще раз отметим, что источниками их генерации являются приток тепла не за счет поглощения солнечной радиации озоном и водяным паром (как у приливных движений), а контраст температуры подстилающей поверхности - 'материк-океан' (стационарные планетарные волны). Поэтому предложенная в работе модель СПВ отличается от модели ПВ лишь параметрами - частотой, длинной волны по долготе и источниковым членом в правой части уравнения притока тепла. Для планетарных волн в уравнении притока тепла источниковый член тождественно равен нулю, а фигурирует он лишь в нижнем граничном условии. Частота планетарной волны полагается равной нулю.

В этой модели учтены все известные физические эффекты, влияющие на термодинамический режим средней атмосферы, такие как вязкость, теплопроводность, радиационное выхолаживание в длинноволновом участке спектра, гидромагнитные эффекты.

Исходная система уравнений гидротермодинамш полностью идентична системе уравнений модели термичесю приливов.

1 др

(1и с1е0

— + —=-иу + /у + "

а аБшбрЗА,

= 0,

dv с1е0 2 , 1 ф

---——и — /и +---

dt а ар 60

1 Ф р 01

dp | СНУ 1

—+ р<1 — +-

dt бг авт©

Ъ+Х«

= о,

50

дк

} = 0,

= (ж -1)-^ +—{ж^ + 8Г) + еп + Бр}, р dt срр1 >

вт

[р = 11рТ.

1

d д V д

Здесь — - —I----1-

dt й ай авш© дХ

д д

+ — - оператор взят дг

полной производной; и, V, W - зональная, меридиональная

вертикальная составляющие вектора скорости V движения возд> соответственно; р - давление; р - плотность; Т - температура;

время; 0 - коширота, отсчитываемая от направления на южн полюс; X - долгота; г - высота; а - радиус Земли; £ - ускоре} свободного падения; Я - удельная газовая постоянная; / = 20соз6

параметр Кориолиса; ж = — - отношение теплоемкостей возду

Рв'^я. " члены, описывающие процессы молекулярной и турбуленть диффузии импульса; Х0,Хх - члены, описывающие влия1 заряженной компоненты атмосферы на движение нейтрального га £(.,£г ,£0,£р-интенсивности притоков тепла.

После проведения несложных, но достаточно громозди преобразований получим следующее уравнение второго порядка ,

введенной функции (где Ч1 ~ Р / уО0, где р0 - фоновое значе плотности)

д1у¥ д2у¥ 82"¥ С„ + С„~ + С +сг — + Су — + СЧ> = С0, где

дьг уу 30 у 30 дг 1 Зг у 30 0

коэффициенты выражаются через функции, входящие в исходную

систему уравнений.

Для решения уравнений модели необходимо также знание

параметров фонового состояния атмосферы и0, Т0, р0, р0,

диссипативных коэффициентов (X и Р и параметров СО м и © и,

характеризующих холловское закручивание и ионное трение.

В работе сформулирован алгоритм решения уравнений

модели:

1) определяем внешние параметры, входящие в уравнения;

2) для отдельно взятой моды:

а) решаем уравнение относительно функции ¥ с использованием граничных условий,

б) далее определяем остальные характеристики вариаций атмосферных параметров;

3) и, наконец, получаем поля отклонений параметров состояния от своих фоновых значений.

В третьей главе представлены численные схемы реализации моделей основных процессов СА и результаты численных экспериментов' по моделированию среднезонального движения (учитывая ВГВ), приливных движений, стационарных планетарных волн. Проведена оценка качества специализированной модели С А. Представлены рекомендации по практическому использованию разработанного метода.

Раздел 3.1 Численные схемы реализации моделей процессов, протекающих в средней атмосфере.

Наиболее эффективным путем получения решений модельных уравнений является их численное интегрирование конечно-разностными методами. При этом производится дискретизация области решения и осуществляется переход из пространства непрерывных функций, которому принадлежит искомое решение, в пространство сеточных функций.

Одним из наиболее универсальных методов численного решения уравнений такого типа является метод 1лпскеп-Кио (в отечественной литературе - матричной прогонки]), так как он позволяет решать уравнения с переменными коэффициентами и не накладывает сильных ограничений на вид граничных условий.

Для СПВ система векторных уравнений, к которой в конечно-разностном виде сводится задача, запишется следующим образом:

-Е^+Ез0^ =-С° Е|ФМ -Е^т' + = -в', I = 1(1Ж -1 Алгоритм решения этой системы следующий :

1) при прямом ходе определяются матрицы ОС; и векторы Д, /' = I)АЛ, по формулам

а^^-Е}«,)"^, р1+1=(Е^-Е{а,)"1(Е1|р1+С|), Ы1(1)М-1;

2) при обратном ходе определяем значения Ч^1, 1 = 0(1)Ы. следующим образом

^«(ЕУ-ЕГа^^+С»), -¥"=а1+1Т,+1+Р1+1, ' = N-1 (-1) 0.

После нахождения определяется Т/. Дале<

определяются значения остальных неизвестных функций в< внутренних узлах сетки по формулам с заменой дифференциальны; операторов на конечно-разностные.

Для АП численная схема решения во многом аналогична, з; исключением задания ГУ.

Для модели ВГВ следует отметить, что для интегрировани по времени остановились на трехуровенной по времени схеме Адамса Бешфорта, в которой отсутствуют вычислительные моды. Схема имее второй порядок точности, уоловно устойчива, достаточно экономична в связи с чем она часто используется в метеорологически исследованиях.

Раздел 3.2 Результаты экспериментов к оценка качеств специализированной модели средней атмосферы.

Численные эксперименты для всех моделей проводились дл условий весеннего равноденствия. Параметры, входящие в уравнени модели, рассчитывались с использованием результате] представленных в следующих работах. Профиль коэффициента 1Чг(я

ньютоновского выхолаживания рассчитывался по данным рабо' причем в термосфере использованы данные по выхолаживанию

полосе 5.3 мкм окиси азота, которые дают рост значений Иг в термосфере. Поля коэффициентов ионного трения и холловского закручивания заимствованы из работ . Значения параметров и0,Т0 фонового состояния рассчитывались с использованием модели]. Значения р0 рассчитывались по полю Т0 с использованием

соотношения гидростатики в приближении политропной атмосферы. Модель стационарных планетарных волн. Численный расчет глобальной структуры СПВ с волновыми числами 1 и 2 проводился для условий весны северного полушария. Фоновый ветер и температура для марта брались из модели СН1А-86 и экстраполировались до высоты г=140 км. Широтно-высотный разрез фонового ветра показан в работе. Расчеты проводились для атмосферы с высотой однородной атмосферы Н=7км с использованием шага по высоте Аг = Я/4.

Диссипативные параметры аир рассчитывались с помощью аналитических формул. Они представляются, согласно этой работе, в виде:

а(г;а0, г,, г2) = ат (г;а0, гх, г2) + ам (г), где СХМ - составляющая, обусловленная молекулярной вязкостью;

0СТ - составляющая, обусловленная турбулентной

вязкостью:

ат =ат(г;а0,г,,72) =

СС0С ) 2 ^ у

а0, < г < гг,

, х > у

где а0 =2.182*Ю-5, гх = 9*103, Х2=9Л*\0А м,

[—)

а!=7.7*103 м, а2 =7.791* 103 м, ам=5.28*10"13 е 7-7"10 . Было также принято, что а = р .

Значения коэффициентов Ньютоновского выхолаживания и Релеевского трения взяты из работы С.С Суворова, их вертикальные профили также представлены в работе.

В качестве нижнего граничного условия для зональных гармоник 1 и 2 использовались значения амплитуд и фаз возмущений

геопотенциала из климатической модели СН1А-86, На верхней границе 2=140 км возмущение геопотенциала полагалось равным нулю.

Квазидвумерная модель среднезональной циркуляции. Параметризация ВГВ-эффектов. Исходные данные.

Для проведения расчетов требуется задание вертикального профиля среднезональной температуры, среднезонального ветра, коэффициентов турбулентной диффузии и теплопроводности Ки и Кт, молекулярной теплопроводности Км, вертикальных профилей компонентов газового состава, коэффициентов Ньютоновского выхолаживания (X. ВГВ-эффекты учитываются с помощью задания на нижней границе области интегрирования однородного изотропического спектра, где 24 монохроматические гармоники распространяются в восьми направлениях, разделенные равным угловым приращением 45 градусов, с тремя фазовыми скоростями в каждом направлении.

Модель приливных движений. Исходные данные.

• Для проведения расчетов характеристик приливных движений кроме функции нагревания атмосферы и диссипативных параметров необходимо определить фоновое состояние среды. Высотно-широтная структура поля фонового зонального ветра и„(Х,9) и температуры таблично задавалась по данным модели США-86 . Интерполяция таблично заданных величин и определение производных от них в узлах конечно-разностной сетки проводились с помощью кубических сплайнов. Определенные таким образом внешние параметры использовались для численного интегрирования уравнений модели приливных движений.

Результаты экспериментов. В работе представлена рассчитанная структура стационарных планетарных волн с зональными волновыми числами 1 и 2 в полях амплитуд и фаз возмущений геопотенциала, плотности, температуры и зональной компоненты скорости ветра в области высот от 0 до 140 км; и широт от 80° ю.ш. до 80° с.ш.

Следует отметить, что полученные модельные результаты в основном воспроизводят эффекты СПВ на высотах 20-80 км, имеют отчетливо выраженные области максимальных значений амплитуд параметров атмосферы для обоих полушарий, и в основном находятся на высотах 45-65 км. Это, в свою очередь,

во-первых, соответствует современным теоретическим представлениям о характере распространения СПВ;

во-вторых, довольно хорошо согласуются с существующими эмпирическими данными полей СПВ, представленных в работе Джона Барнетта и Карин Лабицке «Климатологическое распределение планетарных волн в средней атмосфере» и др.

Анализируя рассчитанные поля геопотенциала, температуры и плотности можно отчетливо увидеть, что полюса и экватор являются для волн своеобразным барьером, который несколько тормозит их распространение, что может объяснятся сферичностью земли. Это также подтверждается различными авторами.

Получено, что СПВ распространяются в области западных ветров и через низкоширотный волновод проникают на высоты мезосферы и нижней термосферы летнего полушария. В поле геопотенциала СПВ с зональным числом 1, видны два максимума волновых амплитуд на высотах 25 км и 50 км с абсолютными значениями амплитуд 25-35 декаметров в северном полушарии и один максимум на высоте 35-40 км с амплитудой до 30 декаметров в южном. В поле геопотенциала СПВ с волновым числом 2 амплитуды максимумов имеют меньшие значения, чем для волны с волновым числом 1 и равняются 16-20 декаметров для северного полушария и 6-8 декаметров для южного.

Выводы по результатам численного эксперимента по моделированию СПВ.

Во-первых, получено, что климатические условия весенней мезосферы и нижней термосферы обеспечивают распространение волновых гармоник СПВ с зональными волновыми числами 1, 2 до высот нижней термосферы.

Во-вторых, очевидно, что предложенная модель адекватно воспроизводит поля СПВ, и в особенности расположение максимума амплитуд основных параметров средней атмосферы - на высотах страто- и мезосферы(45-60км) и отдельных максимумов на высотах TOSO км.

В-третьих, анализируя различие при проникновении гармоник СПВ в мезосферу и нижнюю термосферу для волновых гармоник с разными волновыми числами, следует указать на значительное уменьшение амплитуды (иногда в 2 раза) практически для всех параметров - геопотенциала, плотности, температуры, зональной составляющей ветра для волны с зональным числом 2.

Важную роль в динамике нижней термосферы играют процессы турбулентной вязкости и теплопроводности, которые

необходимо учитывать при моделировании структуры СПВ. Более точный учет этих турбулентных процессов, по-видимому, должен привести к сглаживанию волновых полей по высоте, уменьшению резких максимумов амплитуд волновых гармоник.

Далее в работе оценивалось качество предложенной модели на основе применения ТС. Качество модели оценивается в зависимости от того, насколько эффективно ТС, функционирующее на высотах СА выполнит маневр, используя в своем полетном задании значения предвычисленной плотности и температуры. Основные параметры маневра: высота перигея переходной орбиты Н и дальность полета Ь. Используя аппарат функций влияния и полученные в работе Веселкина М. Г. результаты исследований, покажем, как СПВ влияют на полет ТС на этапе выведения на орбиту, т. .е. найдем отклонения Н иЬ.

Кратко суть метода в следующем. Находим поля основных параметров атмосферы (поля сред незонального движения с учетом ВГВ, приливных движений и поля стационарных планетарных волн), суммируем их и в результате получаем предвычисленное полное поле состояния средней атмосферы, обозначим его «М». Так как данное суммарное поле параметров мы не вправе считать идеально соответствующим фактическому состоянию СА, то вполне допустимо отклонение расчитанных параметров в пределах ± 5 %. Произведем имитационное моделирование полета ТС с учетом функций влияния и оценим частоту попадания полученных значений НиЬв заданные границы.

В соответствии с теорией качества статистического оценивания для этого надо найти количество полетов ТС; автором получено, что оно должно быть не менее 300. В результате после 300 испытаний получим значения статистической вероятности Рм

выполнения маневра ТС на основе использования суммарных полей плотности и температуры, вычисленных в результате реализации специализированного синтеза моделей волновых движений «М».

На втором этапе не учитываем вклад СПВ. Т.е. из М убираем значения полей плотности и температуры СПВ и получаем поле М(-СПВ). Проводим имитационное моделирование, аналогично

описанному выше. Получаем значение Рм(_ст) и Т-Д-

Численные эксперименты по выведению ТС на заданную орбиту были проведены для космодромов Байконур (46.6° с.ш,, 64°

О, Плесецк (62.7°с.ш., 40°в. д.), Свободный (51°с.ш., 128° в.д.). »лученные при этом результаты также представлены в диссертации.

В результате проведения экспериментов видно, что при [итационном моделировании полета ТС на основе использования едвычисленного суммарного поля парметров атмосферы М ( т.е. и »и учете влияния СПВ на основе предложенной автором модели) роятность успешного выполнения маневра достаточно высока. А оборот, неучет влияния СПВ приводит к существенному 1еныдению вероятности успешного выполнения маневра ТС (на г%) или, другими словами, неучет влияния СПВ делает невозможным двод на ТС на заданную орбиту. Что, в свою очередь говорит о :пешном решении поставленных перед автором задач.

Рекомендации по практическому использованию цзработанного метода также представлены в работе. Разработанный гтод прогнозирования позволяет получать значения параметров ютояния СА в глобальном масштабе (в интервале высот 20-140 км с ккретностью по высоте 2 км, по широте - 3°, по долготе с любой юбуемой дискретностью).

В соответствии с описанной выше схемой прогнозирования азработан пакег прикладных программ, реализуемый на ПЭВМ. Для гализации предлагаемой модели СПВ необходимо 32 Мбайта теративной памяти ПЭВМ типа PENTIUM 200. Исходя из этого, в астоящее время комплекс этих программ может быть реализован на ВМ, находящихся на пунктах боевого управления, а при оснащении С современными БЦВМ прогнозирование может осуществляться на орту.

Вывод: разработанный метод пригоден для использования ри информационном ГФО выполнения маневра ТС на этапе ыведения и приемлем для потребителя геофизической информации.

В заключении формулируются основные результаты, олученные в ходе диссертационных исследований, и указываются озможные направления дальнейших исследований.

Основные результаты проведенных исследований: . Рассмотрены основные технические системы, функционирующие на высотах СА, изучены способы учета влияния процессов, протекающих в СА при организации применения ТС, проанализированы требования к моделям, лежащим в основе метода прогнозирования состояния СА. Была рассмотрена морфология процессов, протекающих в СА.

2. Выявлены физические процессы, протекающие в СА, которы должны отражаться в моделях атмосферы, на которых долже основываться метод прогнозирования состояния СА. Исходя из этог сформулированы требования к моделям средней атмосферы, пр удовлетворении которым эти модели могут быть положены в основ метода прогнозирования ГФУ функционирования ТС.

3. В результате анализа существующих методов прогнозирован« состояния СА и современного уровня методического и материальнс технического обеспечения сети наблюдения за состоянием С установлено, что наиболее приемлемым подходом для построени методов прогнозирования состояния СА являете гидродинамический.

4. Проанализированы существующие модели средней атмосферы целью определения степени соответствия их характеристи сформулированным требованиям. Анализ показал, чт разработанные к настоящему времени модели (среднезональног движения, учета эффектов внутренних гравитационных воль термических приливных движений, стационарных планетарны волн) - дают хорошую оценку среднесуточных (осредненных по круг широты) значений параметров атмосферы.

5. Получено, что основным методом прогнозирования состояния С, при ИГФО функционирования ЛА является метод синтез специализированных моделей, т.е. моделей, использование которых методе прогнозирования обеспечивало бы наиболыну1 эффективность полета ЛА.

6. В рассматриваемом нами примере функционирования ТС н высотах СА на основе анализа функций влияния получено, чт модель должна описывать среднезональную циркуляцию (с учета эффектов ВГВ), планетарные волны и приливные движения.

7. На основе результатов анализа степени влияния различны факторов на состояния СА, разработана модель стационарны планетарных волн. Результаты тестирования этой модели указываю на корректность проведенных исследований.

8. Разработана специализированная модель атмосферы и предложе] метод прогнозирования ГФУ процесса функционирования ТС Результаты численных экспериментов демонстрируют, чт предлагаемый метод обеспечивает максимальную эффективност процесса функционирования ТС. Вероятность достижения цел]

полета ЛА при использовании специализированного метода увеличивается более, чем на 25% по сравнению с наилучшим из неспециализированных методов. 9. Разработаны рекомендации по практическому использованию предлагаемого метода прогнозирования ГФУ процесса функционирования ТС.

Таким образом, поставленные в работе задачи можно считать решенными, а цель достигнутой. Разработанные модели и методика применимы при анализе процессов функционирования в средней атмосфере технических систем самого широкого назначения.

Основные результаты исследования были опубликованы в следующих печатных работах:

1. Суворов С.С., Грек П.В. Влияние внутренних гравитационных волн на состояние ионосферы // Тез. докл. 23 региональная НТК «Распространение радиоволн», С-Пб, 1997 .

2. Суворов С.С., Грек П.В. Моделирование среднезонального состояния атмосферы // Тез. докл. 23 региональная НТК «Распространение радиоволн», С-Пб, 1997 .

3. Суворов С.С., Грек П.В. Некоторые теоретические аспекты параметризации эффектов внутренних гравитационных волн в средней атмосфере // Деп. рукопись, МО РФ., СПб., 1998 г - 22 с.

4. Грек П.В., Суворов С.С. Оценка эффектов внутренних гравитационных волн в средней атмосфере // Деп. рукопись, МО РФ., СПб., 1998 г - 10 с.

5. Грек П.В., Суворов С.С. Распространение стационарных планетарных волн в средней атмосфере // Деп. рукопись, МО РФ, ВИКА им. Можайского. СПб., 1998 г - 20 с.

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Грек, Петр Владимирович, Санкт-Петербург

/

/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ПРИ ИНФОРМАЦИОННОМ ГЕОФИЗИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 11.00.09 "Метеорология, агрометеорология, климатология"

УДК 551.509

ГРЕК ПЕТР ВЛАДИМИРОВИЧ

Научные руководители

доктор физико-математических наук

Суворов С.С.

доктор физико-математических наук профессор Солдатенко С.А.

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК АББРЕВИАТУР.......................................................................... 3

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 4

1.АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ.

1.1 Анализ влияния средней атмосферы на функционирование

технических средств........................................................................... 9

1.2. Требования к моделям, лежащим в основе метода

прогнозирования состояния средней атмосферы.......................... 40

1.3 Современное состояние проблемы моделирования средней атмосферы и процессов, протекающих в ней..............................:... 45

1.4 Обобщенная схема синтеза специализированной модели средней атмосферы.......................................................................................... 76

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ....................................................................

2.1. Квазидвумерная модель среднезональной циркуляции................. 90

2.2. Модель установившихся приливных движений............................ 101

2.3. Модель стационарных планетарных волн...................................... 111

?. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНАЛИЗ КАЧЕСТВА МОДЕЛЕЙ.............................................................................................................

3.1. Численные схемы реализации моделей процессов, протекающих 123 в средней атмосфере........................................................................

3.2. Результаты экспериментов и оценка качества специализированной модели средней атмосферы.......................... 137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................... 166

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................ 170

СПИСОК АББРЕВИАТУР

АП - атмосферные приливы

ПВ - планетарные волны

ВГВ - внутренние гравитационные волны

ГФИ - геофизическая информация

ГФО - геофизическое обеспечение

ГФУ - геофизические условия

ИГФО - информационное ГФО

ЛА - летательный аппарат

МВКС - многоразовый воздушно-космический корабль

РН - ракето-носитель

СПВ - стационарные планетарные волны

СА - средняя атмосфера

ТС - техническая система

ФЧ - функция чувствительности

ВВЕДЕНИЕ

— КА

В настоящее время значительно возрос интерес к исследованию средней атмосферы. Прежде всего это было обусловлено необходимостью оценки влияния вариаций солнечной активности и антропогенных воздействий на климат. Кроме того, учет процессов, происходящих в средней атмосферы, важен для повышения качества прогнозов погоды средней и большей заблаговременное™, так как динамическое взаимодействие между тропосферой и средней атмосферой может оказывать существенное влияние на вариации тропосферной циркуляции с временными масштабами от нескольких дней до нескольких месяцев.

В работах как отечественных, так и зарубежных исследователей [5,7,19,112,113] продемонстрировано, что атмосфера как геофизический фактор оказывает существенное влияние на ход операций с применением ТС и их исход. Причем влияние ветра и термодинамических параметров атмосферы на высотах СА значимо даже при невысоких аэродинамических качествах обеспечиваемых объектов. Количественные оценки степени этого влияния свидетельствуют о том, что неучет вариаций указанных параметров при планировании применения рассматриваемых систем может привести к недостижению целей операции.

Все это говорит о том, что совершенствование методического аппарата геофизического обеспечения (ГФО) функционирования как существующих, так и перспективных ТС является мощным средством повышения эффективности операций с применением этих ТС.

Вопросам разработки методов прогнозирования и диагностики ГФУ протекания процессов функционирования различного рода ТС на высотах СА посвящено значительное количество работ. Обобщая конкретные задачи и проблемы, рассмотренные в этих работах, можно сказать, что основная цель этих исследований обычно состояла в необходимости разработки метода прогнозирования состояния СА или ГФУ функционирования конкретной ТС.

Для синтеза моделей атмосферы использовались либо физико-

статистический, либо гидродинамический подходы. На пути решения этих задач получены значимые как в теоретическом, так и в прикладном плане результаты.

В настоящее время неоспоримым является факт наличия существенной взаимосвязи между процессами, протекающими в тропосфере, нижней стратосфере и процессами, протекающими в СА. Учет этого обстоятельства позволяет в значительной мере повысить качество ГФО.

Кроме того, к настоящему времени получены существенные результаты в рамках проблем специализации прогнозов и синтеза специализированных методов прогнозирования ГФУ в СА. В работах Ю.Н. Волконского [20-23], С.С. Суворова [96,97] авторами была высказана идея учета особенностей обеспечиваемой системы на этапе построения метода прогнозирования ГФУ, что также позволяет существенно повысить качество методов ГФО.

Учитывая то обстоятельство, что существующие схемы ГФО функционирования ТС в СА предполагают широкое использование инерционных прогнозов, а также то обстоятельство, что диагностика состояния атмосферы непременно является первым этапом прогнозирования, необходимо констатировать, что задача диагностики состояния СА является весьма важной задачей ГФО.

Таким образом, актуальность темы диссертационных исследований определяется:

- непрерывным совершенствованием ТС, повышением уровня их конструкционного и технологического исполнения и, как следствие, усилением зависимости эффективности их применения от ГФУ;

- необходимостью совершенствования методического аппарата ГФО функционирования ТС на высотах СА;

- необходимостью дальнейшего исследования морфологии и динамики процессов, протекающих в СА.

В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы является разработка комплекса математических моделей использование которых

в методах прогнозирования и диагностики состояния СА, реализуемых в ходе ГФО функционирования ТС позволит повысить эффективность применения ЛА.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи исследования:

1)сформулировать требования к моделям СА, определить наиболее перспективные задачи, решение которых привело бы к построению моделей, удовлетворяющих этим требованиям;

2)проанализировать и оценить степень влияния средней атмосферы на протекание процесса функционирования технических систем;

3)выработать требования к диагностической информации о геофизических условиях применения обеспечиваемых систем;

4)определить наиболее перспективные направления синтеза специализированной модели средней атмосферы;

5)разработать модель стационарных планетарных волн;

6)оценить качество построенной специализированной модели СА. Основные научные результаты и их новизна состоят в следующем:

1. Разработана модель стационарных планетарных волн.

2. Осуществлен метод синтеза специализированной модели состояния С А для обеспечения ГФО функционирования ТС.

3. Проведена оценка качества специализированной модели СА на примере функционирования ТС.

4. Представлены рекомендации по практическому использованию разработанного метода

Результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи синтеза специализированной модели состояния СА в целях совершенствования процессов информационного геофизического обеспечения функционирующих на ее высотах технических систем, а также для решения широкого круга научных и практических за-

дач, касающихся учета динамических процессов, протекающих на высотах средней атмосферы.

Научная ценность и практическая значимость работы определяется тем, что:

- разработанная специализированная модель стационарных планетарных волн может быть использована не только при разработке методов геофизического обеспечения функционирования технических систем на высотах средней атмосферы, но и при решении климатических задач и задач экологического плана;

- предложенные в работе методы использования аппарата теории чувствительности при построении специализированных гидродинамических методов диагностики и прогнозирования состояния средней атмосферы предоставляют возможность оценивания степени влияния параметров СА на функционирование различных ТС;

Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена аргументированностью исходных положений, логической непротиворечивостью рассуждений, корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с некоторыми частными результатами других авторов, фундаментальными теоретическими положениями и имеющимся эмпирическим материалом.

Апробация и публикации. Результаты диссертации докладывались и получили одобрение на 23 региональной научно-технической конференции "Распространение радиоволн" (Санкт-Петербург, НИИФ СПбГУ, 1997г.), на научных семинарах Военной инженерно-космической академии им. А.Ф. Можайского, Российского Государственного Гидрометеорологического университета.

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 депонированных статьях, 2 тезисах докладов, 1 отчете по НИР.

Реализованы результаты исследований в войсковой части 32103, Высшем военно-морском училище им. М.В. Фрунзе, Военной инженерно-космической академии им. А.Ф. Можайского.

Структурно диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы, содержащего 214 наименований. Общий объем работы составляет страниц, в том числе го рисунков и графиков, а также

9 таблиц.

Первый раздел диссертации посвящен анализу проблем информационного геофизического обеспечения применения технических систем в средней атмосфере. Рассмотрены способы учета влияния СА на функционирование ТС, сформулированы требования к моделям СА. Рассмотрено современное состояние проблемы моделирования СА и процессов, протекающих в ней. Определены наиболее перспективные направления синтеза моделей СА. Описана обобщенная схема синтеза специализированной модели СА

Во втором разделе описаны математические модели основных процессов, протекающих в СА - среднезонального движения и параметризации ВГВ-эффектов, стационарных планетарных волн, термических атмосферных приливных движений.

В третьем разделе представлены численные схемы реализации моделей основных процессов СА и результаты численных экспериментов по моделированию среднезонального движения (учитывая ВГВ), приливных движений, СПБ. Проведена оценка качества специализированной модели СА. Представлены рекомендации по практическому использованию разработанного метода.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в ходе диссертационных исследований, и указываются возможные направления дальнейших исследований.

1 .АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ГФО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ.

1.1 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

1.1.1 Особенности распределения основных параметров средней атмосферы и способы их учета при организации применения технических средств.

Под основными параметрами состояния СА прежде всего следует понимать распределение температуры, давления, плотности воздуха и структуру поля ветра стратосферы и нижней термосферы.

Температурный режим является одним из основных факторов, определяющих физическое состояние атмосферы. Неравномерное распределение в атмосфере обусловливает определенную структуру поля давления и, следовательно, циркуляцию атмосферы относительно земной поверхности [106,108].

Для страто- и мезосферы распределение температуры по высоте и широте, а также сезонные ее изменения определяются поглощением коротковолнового солнечного излучения, а также излучением тропосферы в инфракрасной области спектра. Наибольшее значение в поглощении ультрафиолетовой радиации Солнца в стратосфере и мезосфере имеет озон.

Максимальное количество озона, как известно [108], расположено на высотах 20-25 км. Поглощение озоном ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения приводит к нагреванию атмосферы, максимум которого приходится на высоты 45-55 км. Кроме того, нагревание атмосферы происходит еще и за счет поглощения радиации Солнца молекулярным кислородом. Наиболее заметным оно оказывается на высотах более 90 км.

Радиационные условия в стратосфере и мезосфере приводят к тому, что летом горизонтальный градиент температуры направлен с юга на север, а зимой - с севера на юг. Большую роль в распределении температуры играют также адвективные изменения температуры в стратосфере, упорядоченные вертикальные движения большого масштаба. Таким образом следует отметить, что общие закономерности изменения температуры с высотой, учитывая широтные и сезонные вариации достаточно сложны.

Общие закономерности изменения давления с высотой более просты, чем изменения с высотой температуры воздуха. Давление с высотой непрерывно убывает. Однако скорость убывания давления не одинакова. Она зависит от плотности воздуха. В нижних слоях атмосферы, где плотность воздуха больше, давление убывает быстрее, а в верхних - медленнее. Кроме того, если учесть, что плотность воздуха зависит не только от высоты над уровнем моря, но и от температуры воздуха, то можно прийти к выводу, что давление на одних и тех же высотах может изменяться по-разному [213,214].

Распределение плотности воздуха в страто-мезосфере в соответствии с уравнением состояния определяется значениями температуры и давления, что несомненно указывает на достаточно сложный характер этого распределения.

Следует также отметить, что в страто- и мезосфере обычная структура поля температуры, обусловленная радиационными и адвективно-динамическими факторами, иногда нарушается. Это проявляется прежде всего в быстром повышении температуры на некотором уровне, которое в течение короткого промежутка времени захватывает большую часть стратосферы и изредка нижнюю половину мезосферы. Резкое повышение температуры в указанных слоях атмосферы приводит к достаточно большим изменениям давления и плотности воздуха. Впервые потепление стратосферы было обнаружено в феврале 1952 г. над Европой [106,109].

При радиозондовых и особенно ракетных наблюдениях, проводимых в последние 20 - 30 лет, регулярно обнаруживались зимние стратосферные

потепления. Это явления наблюдается почти ежегодно, а в некоторые годы даже несколько раз за зимний сезон. В период потепления температура воздуха нередко увеличивается на большую величину. На высоте 23-25 км стратосфера

становится теплее на 20-40° С, а во время январского потепления 1963 г. произошло повышение температуры на 56° С. Наблюдения показывают, однако, что максимальный разогрев стратосферы происходит обычно в слое атмосферы 30-40 км. По данным ракетного зондирования, температура воздуха над ст.

Черчилл в конце января 1958 г. на высоте 40 км увеличилась почти на 70 ° С.

По мере того как потепление захватывает все более низкие уровни, верхние слои стратосферы, в которых оно началось, постепенно охлаждаются. Потепления в стратосфере происходят изредка и летом, однако они не столь значительны, как зимой.

Внезапные потепления в стратосфере не являются исключительной особенностью только полярных широт. Они проникают в умеренные широты вплоть до 50-45 параллели. Отмечены случаи распространения потепления даже

до 30° с.ш.

Приведенные выше особенности строения СА характеризуют чрезвычайную сложность процессов, происходящих в атмосфере и оказывающих влияние на полеты ТС.

Появление управляемых летательных аппаратов, повышение уровня их технологического и конструкционного исполнения, непрерывное расширение диапазона высот их функционирования, а в последние десятилетия освоение околоземного космического пространства привели к тому, что влияние атмосферы на процесс функционирования ТС стало столь существенным, что решение задач динамики полета без его учета оказалось просто невозможным.

Перечень ТС, процесс применения которых обеспечивается, достаточно широк. Он включает в себя стратосферную авиацию, аэростатные комплексы, ВЭ, РН и МВКС. Кроме того, в