Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка алгоритмов прогноза характеристик дальности видимости на срок до одних суток при различном уровне обеспеченности исходной информацией

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Разработка алгоритмов прогноза характеристик дальности видимости на срок до одних суток при различном уровне обеспеченности исходной информацией"

ВОРОНЕЖСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ АВИАЦИОННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ

На правах рукописи

7 л ОД

- I \ р , г X р о

РАСТОРГУЕВ Игорь Поликарповнч

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПРОГНОЗА ХАРАКТЕРИСТИК ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ НА СРОК ДО ОДНИХ СУТОК ПРИ РАЗЛИЧНОМ УРОВНЕ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Специальность: 11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

ВОРОНЕЖ -1998

Работа выполнена в Воронежском '^шнм военном авиационном инженерном учи. пине

Научный пуко1!<миго.'[ь: кандида? {«»графических наук.

допет ПАЗЛРНПКОЛ.В.'

Официальные оппоненты: доктор географических паук.

профессор ВАСИЛЬЕВ АЛ.

кандидат физико-математических наук, доцент АКСЕЛЕВИЧ В.И.

Ведущая организация: Главный Гидрометеорологический Центр

Министерства обороны Российской Федерации

Защита сосюшся "14" мая 1998г. н 15 часом на заседании диссертационного совета К 106.09.01 в Воронежском высшем военном авиационном инженерном училище по адресу 394064. г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского высшего военного авиационной) инженерною училища. Отзывы и замечания, заверенные печатью, направлять по указанному адресу в дв^^х -экземплярах.

Автореферат разослан " 14 " апреля 1998 года

Ученый секретарь диссергапионного совета, кандидат гегщэафических наук, доцент .Х'Зу- 1-11- ЗАДОРОЖНАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из причин экономических потерь и аварийности во многих сферах человеческой деятельности является влияние сложных условий внешней среды. Одним из слагаемых, определяющих степень сложности метеорологических условий для авиации* является дальность видимости. Как показывает статистика, наибольшее число авиационных происшествий и предпосылок к ним связано именно с ограниченной видимостью. В различных офаслях народного хозяйства, в военном деле, при выполнении поисково-спасательных работ и других мероприятий окончательное принятие решения, подгоювка и выполнение конкретных задач происходит, как правило, в пределах суток. Поэтому особую значимость приобретает прогноз дальности видимости на срок до одних суток.

Несмотря на значительное количество работ но вопросам анализа и прогноза дальности видимости, проблема качественного обеспечения потребителя прогностической информацией о ней в условиях ограничения исходных данных осгае1ся до конца нерешенной.

При значительном сокращении объемов метеорологических данных, поступающих в прогностические учреждения, возникает потребность в разработ ке мешлов прогноза дальности видимости при разных уровнях обеспеченности исходной информацией.

В [н же время в условиях расширения задач, решаемых в сложных погодных условиях, повышения требований к эффективности и безопасности полетов. возникает потребность в детализации прогностических данных о видимости. 13 районах выполнения наиболее важных задач (посадка воздушного судна, спаса тельные работы, боевое применение) необходима информация о целом комплексе характеристик дальности видимости, таких как жсфемалытые значения и время их наступления, продолжительность сохранения определенных традаций. значения видимости в заданные моменты времени, вероятность достижения пороговых значений видимости.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена отсутствием методов прогноза дальности видимости в условиях ограниченной исходной информации и необходимостью расширения перечня прогнозируемых характеристик дальности видимости и их детализации но времени.

Целыоработы является разработка методики и алгоритмов краткосрочно-то протеза комплекса характеристик дальности видимости при разных уровнях обеспеченности априорной информацией.

Поставленная цель реализуется при решении следующих задач.

1. Комплексное исследование физических механизмов и закономерностей изменения характеристик дальности видимости, уяснение роли факторов, определяющих ее пространственно-временное распределение.

2. Исследование потенциальных уровней обеспеченности прогностических учреждений априорной информацией.

Определение дополншельных источников получения информации в пункте про! по ;а и (|>ак1ичсск<1м соиоянии окружающей среды бе! орпши ¡ации дополнительной сет наблюдений.

4. Разработка методик и алгоритмов про!поза характеристик дальности видимости при различных уроннях обеспеченное!и априорной информацией и оценка и\ успешное ги.

5. Выработка практических рекомендаций по использованию резулыаюв исследования при оперативном метеообеспсчении авиации.

Научная повита работы заключается в следующем.

1. Проведен комплексный анализ распределения характеристик горизонтальной дальности видимости для района Воронежа, рассчшаны количественные оценки их синхронных и асинхронных сия чей с ме^оведичинами у поверхности земли, состоянием подстилающей поверхности, параметрами задерживающих слоев в нижней тропосфере, характеристиками естественной освещенности. микрофизическими и спектральными ошическими чарамериешка-ми атмосферы, массовой концешрацией соссгвенных и антропогенных примесей по синоптическим ситуациям и се к>пям года.

2. Предложена методика и ал! :,! прошоза характерно мне горн ¡октальной дальности видимости при различны-; уровнях обеспеченное!и априорной информацией.

3. Предложен способ расчет харамеристик естественной освещенное!и. ожидаемых адвективных изменений температуры воздуха, объективных критериев оценки сипопшческой обс1аповки. примени|елы!о к прогнозу дальности видимости с использованием 'УВМ.

4. Разработаны прогностические уравнения для расширенного перечня характеристик горизонтальной дальности видимости.

5. Предложена методика нропюза дальности видимое!и с использованием данных о микрофизических, спекгралып.'х ошичсских характеристиках атмосферы и массовой концентрации а; чосферны.х примесей.

Реализация поставленных задач проводилась физико-статистическим мс-1одом с использованием корреляционно! о. дискримипашнот и регрессионного анализа. Расчеш производились с помощью паке!а программ разработанного на базе сис|емы статистическою анализа НДХ,

Достоверность полученных резулыаюв обеспечена достатчно большим объемом надежных исходных данных, использованием современных процедур физико-статистического анали ¡а. проверкой полученных алюртмов на независимом материале и подтверждена сопоставлением с существующими методами прогноза.

Практическая ценность работы соепип в Iсм. чю основные 1еореп1че-ские и практические рел льтам,! используются:

- при метеорологическом обеспечении частей и соединений Военно-воздушных Сил; •

- в учебном процессе на меюоро.кч нчсском факулысче Воронежскою ВВЛИУ:

- при выполнении научно-исследовательских работ.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. Результаты анализа распределения значений дальности видимости в районе исследования и их взаимосвязи с метеорологическими величинами у поверхности земли, параметрами задерживающих слоев нижней тропосферы, объективными характеристиками полей приземного давления и геопотенциала Н700, микрофизическими и спектральными оптическими характеристиками атмосферы, массовой концентрацией различных ингредиентов естественных и антропогенных примесей.

2. Методика и алгоритмы прогноза характеристик дальности видимости на срок до одних суток для различных уровней обеспеченности исходной информацией и пакет прогностических уравнений, построенных по разработанной методике.

3. Методика использования микрофизических, спектральных ошических характеристик атмосферы и значений массовой концентрации ингредиентов атмосферных примесей при прогнозировании характеристик дальности видимости.

Апробация работы. Результата исследований докладывались и обсуждались на семинарах кафедры метеорологии (декабрь 1994- 1997гг.) и научно-технических конференциях (1991-1994гг.) Воронежского ВВАИУ, Российском молодежном научном симпозиуме " Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга" (Воронеж, 1996 г.), на региональной научно-технической конференции "Проблемы экологии и экологической безопасности Черноземья" (Липецк, 1996 г.), на Всероссийской конференции "Современная география и окружающая среда" (Казань, 1996 г.), на Всероссийской научной конференции "Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств обеспечения авиации" (Воронеж, 1997г.). Проблемы практического применения результатов исследования обсуждались на научно-практическом семинаре Главного Гидрометеорологического Центра МО РФ (Москва, февраль 1998г.) и в метеослужбе ВВС и ПВО ЛенВО (Санкт-Петербург, февраль 1998г.). В полном объеме работа рассматривалась на семинаре кафедры прикладной метеорологии РГГМИ (февраль 1998г.) и расширенном семинаре кафедры метеорологии Воронежского ВВАИУ (март1998г.)

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 научных работах.

Структура и объем работы. Решаемые в диссертации задачи обусловили ее следующую структуру: введение, четыре раздела и заключение. Общий эбъем диссертации составляет 165 страниц, работа содержит 38 рисунков и 10 габлиц. Список литературных источников включает 224 наименования.

г,

осношк»; с ол1;Г/1ч'лш1К гльоты

Во введении обосновываемся актуальность. научная пови та и практическая значимость работы. Определяет : я основная цель и задачи исследования, приводится перечень положений; вьчюсимнх па защиту. Кратко изложено содержание разделов диссертационной работы.

И первом разделе приведет,! основные поиятия и определения теории дальности видимости, показана зависимость безопасности полетов и экономических показателей деятельности авиационного потребителя от условий видения. Обобщены сведения о пространственно-временной изменчивости исследуемой величины, дан обзор исследований по вопросам анализа и прогноза характеристик дальности видимости. Определена последовательность этапов работы при разработке методов прогноза дальности видимости на срок до 1 суток.

В настоящее время значительное число экспериментальных и теоретических исследований направлено на решение различных вопросов анализа и прогноза дальности видимости. Наиболее полно история вопроса и анализ теоретических и экспериментальных разработок в ной облает изложен),I в монографиях В.А.Гаврилова. В.Л.Ковалева. Л.М.Баранова.

В зависимости от решаемых задач условия видения \ioiyr характеризоваться различными оптическими и ме1еороло1 ическими величинами. Вопросы взаимосвязи различных характеристик достаточно полно исследованы. Поэтому достаточно располагать одной из -них характеристик, ч [061,1 получить значение других с точностью, близкой к точности измерения или расчета исходной величины.

Исходя из современных требований. I! качестве характеристики прозрачности среды иснольювалась мстсоролотичсская оптическая дальность видимости (МОДВ). поскольку она не связана с визуальными наблюдениями каких-либо объектов, а зависит только от прозрачности атмосферы (показателя ослабления), применима в любое время суток и сто можно пользоваться для опенки прозрачности атмосферы и расчетов дальности видимости реальных объектов (например, огней), как в горизонтальном, гак и в наклонном направлениях.

Широко исследованы закономерности пространственно-временного распределения дальности видимости в ра ¡личных районах, се зависимость от местных физико-географических особенностей, азросиноптических условий, а также изменчивость видимости в различных явлениях погоды.

Анализ изменчивости видимости дал ь »змо-жттость обратить внимание на некоторые общие закономерности ее изменения в атмосфере:

1) в разные сезоны года изменчивость различна:

2) изменчивость видимости в разных метсоявлениях неодинакова;

закономерное ж изменения видимое ж в разных нупкгач примерно сходны - >н> косвенно может рассматриваться как подтверждение во ¡действия одних и тех же факторов;

4) вблизи крупных водных объектов изменчивоегь видимое ж больше, чем над континентом.

Из анализа данных практического использования как гражданской. так и военной авиации, у нас и за рубежом, а также результатов экспериментальных и теоретических исследований, сделано заключение о том, что вопрос анализа и прогноза характеристик видимости является одним из наиболее важных. Вопросам анализа и прогноза видимости значительное внимание уделено в работах Л.С. Зверева. М.В. Петренко. И.В. Кошеленко. М.Я. Рацимор. З.К. Бабенко. Д.М. Зенкевич и др.

Представленный анализ существующих подходов к прогнозу дальности видимоеIи дает представление о нерешенных проблемах обеспечения по|реби-1еля информацией о дальности видимости:

- про! поз дальности видимости в условиях ограниченных информационных ресурсов:

- необходимость детализации прогностической информации о дальности видимости.

На основании изложенного определен порядок проведения исследования по разработке методики построения алгоритмов прогноза дальности видимости на срок до 1 суток при различном уровне априорной информации.

Но втором разделе обобщены имеющиеся сведения о закономерностях изменения значений далыюсж видимое ж. раскрыты механизмы, приводящие к данным изменениям, проанализированы физико-географические особенности исследуемого района. В частости, описано типичное распределение и временной ход дальности видимости в различных географических типах воздушных масс, в зонах атмосферных фронтов, метеоролог ических явлениях, а также рас-смофепы наиболее часто встречающиеся синоптические процессы, приводящие к ухудшсчппо видимости. Описан использованный архивный материал, средства и способы его обработки.

При решении народнохозяйственных, коммерческих, учебных и специальных задач возникает потребность в самой разнообразной информации о дальности видимости. Поэтому на начальной стадии работы был определен перечень характеристик дальности видимости, обеспечивающий запросы потребителя.

Гак, в процессе учебно-боевой деятельности авиации Министерства обороны командованию, штабам, органам управления воздушным движением, лешому составу и группе руководства полетами бывает необходима следующая информация.

I. Преобладающая градация видимости на определенный период (сутки, день, летную смену, вылет).

2. Экстремальные (минимальные и максимальные) значения дальности видимости на определенный период или в определенное время суток (утром, в сумерках) или в явлениях погоды (в осадках, « тумане и др.).

3. Возможность достижения пороювык значений дальности видимости в течение заданного промежутка времени.

4. Время наступления и продолжительность сохранения экстремальных или пороговых значений дальности видимости.

5. Значения дальности видимости на фиксированные сроки (например, 3, 7, 13, 19 часов, характеризующие весь диапазон суточного хода видимости).

6. Значения видимости на заданные сроки (например, на время посадки летательного аппарата).

7. Уточнение прогноза дальность- види мости при наличии факта ограниченной видимости.

Исходя из перечисленных практических потребностей был сформирован перечень прогнозируемых величин.

В свою очередь, объем необходимой прогностической информации, в совокупности с пространственно-временной изменчивостью исследуемых величин. определяет объем и структуру привлекаемого архивного материала.

На основании физических представлении о природе механизмов изменения дальности видимости был образован предварительный набор предикторов, охватывающий весь спектр влияющих факторов. Были представлены как непосредственно измеряемые величины, так и нх производные.

При проведении исследования были использованы данные наземных метеорологических наблюдений ЛМСГ аэропорта Воронеж выборочно за 1972-И 989 годы и непрерывный ряд получасовых наземных метеорологических инструментальных наблюдении "у'Ю-Н 994 гидов.

Состояние подстилающей поверхности оценивалось по количеству выпавших осадков за последние сутки, а <акже по высоте снежного покрова и его суточного изменения.

В качестве характеристик естественного освещения использовались значения продолжительности светового дня, времени восхода и захода Солнца, а также временные интервалы от восхода и захода до срока, на который прогнозируется дальность видимости. Все перечисленные характеристики были рассчитаны по специально разработанной программе, входными данными для которой является только текущая дата.

В качестве предикторов использовались также характеристики барического поля у поверхности земли и поверхности 700 гПа: значения давления и геопотенциала в узлах прямоугольной расчетной сетки; первые, вторые и смешанные производные, рассчитанные в конечных разностях; лапласиан давления и геопотенциала; коэффициент кривизны изобар (изогипс); направление градиента давления (геопотенциала), направление и скорость градиентного

ветра в пункте прогноза и в ближайших узлах сетки; направление и скорость воздушного потока на изобарической поверхности 700 i Па.

Из характеристик пограничного слоя, влияющих на ход дальности видимости, в список были включены характеристики задерживающих слоев: высота нижней границы инверсии (изотермии или слоя замедленного падения температуры), ее мощность и интенсивность, вертикальный температурный градиент, направление и скорость ветра на нижней и верхней границе задерживающего слоя, а также коэффициент эффективности задерживающего слоя.

По данным радиозондирования в пункте прогноза были рассчитаны величины адвективного изменения температуры воздуха на ближайшие 12 часов в нодынверсионном слое и, непосредственно, в слое инверсии.

В предварительный перечень предикторов были включены данные наблюдений специализированных станций и постов: спектральная прозрачность атмос(|>еры (СИЛ), спектральная оптическая плотность атмосферного аэрозоля (СОИ), параметр Юнге, количество больших частиц в единице объема и массовая концентрация основных ингредиентов атмосферных примесей.

Необходимо отмсти 1ь. что все указанные величины регистрируются на метеостанциях или в пределах города (данные радиозондирования, оптические наблюдения и наблюдения за концентрацией атмосферных примесей) и имеется возможность их оперативного получения.

Весь исходный архивный материал рассматривался с учетом конкретной синоптической обстановки, которая оценивалась по приземным синоптическим и кочьпевым картам погоды, картам барической топографии (ЛТ850, ЛТ70о, ЛТчо,,. ОТчюпню) Для анализа развития синоптических процессов над Европейской территорией России дополнительно применялись видеозаписи ежечасных снимков облачного покрова и подстилающей поверхности, принятых с геостационарного спутника METEOS AT за период с 1989 по 1994 годы.

Для решения отдельных задач привлекались аналогичные архивные данные по другим пунктам, в частности, по Санкт-Петербургу.

Весь комплекс статистической обработки данных осуществлялся с помощью профессиональной системы статистического анализа SAS. па базе которой был разработан пакет программ, предназначенный для решения задач анализа и прогноза погоды, в частности, характеристик дальности видимости. Расчеты производились с помощью ЭВМ ЕС-1046.

И третьем разделе исследовано распределение значений дальности видимости для района Воронежа в зависимости от синоптической обстановки, сезона года, явления погоды и направления ветра у земли. Приведены результаты корреляционного анализа характеристик дальности видимости с мстеовеличи-нами у поверхности земли, параметрами задерживающих слоев нижней тропосферы, объективными характеристиками полей приземного давления и геопотенциала изобарической поверхности 700 гПа. Предложена методика прогноза характеристик дальности видимости при различных уровнях обеспеченности

априорной информацией и. ра'.рабоишные на ее основе, про! нос! ическне уравнения. Проведена сравнительная оценка качества уравнений. Даны рекомендации по их практическому использованию.

Рассчитаны повторяемости наиболее характерных синоптических ситуаций. их минимальная, средняя, максимальная продолжительность, а также для каждой ситуации вероятность наличия явлений погоды, ухудшающих дальность видимости, средняя и максимальная их продолжительность, повторяемость случаев с ухудшением видимости менее 5-ти километров и менее 1-го километра, средняя и максимальная продолжительность сохранения видимости менее 5-ти километров и минимальной градации дальности видимости, средние и абсолютные значения минимальной дальности видимости. Данные приведены по сезонам и в среднем за год.

В целом, в зоне фронтов ухудшения условий видимости более значительны, но существенно меньшей продолжительности, чем при внутримассовой обстановке.

Повторяемость всех градаций далмюсти видимости менее 5км больше зимой. Летом условия видения наиболее благоприятны. В целом повторяемость видимости менее 5км зимой составляет 61.5%. весной - 43°«. летом - 19,5%, осенью -51%.

Была проанализирована повторяемость явлений погоды, ухудшающих дальность- видимости. Наиболее распространенные явления: дымка - до 37% (23% - без сопутствующих явлений), осадки - 12 (3,5)%. При этом снег наблюдается чаще дождя, но без сопутствующих явлений - в 2 раза реже. Мгла, дымы, встречаются редко, к тому же. ухудшают видимость не хуже 5км.

По направлен!:!:?.! ветра наибольшая повторяемость ограниченной видимости в диапазоне 0,1-^-4,Окм наблюдается при юго-восточных ветрах (преимущественно 140-И 50°). Это обусловлено местными особенностями рельефа. При слабых ветрах южной четверти «отдух. насыщенный антропогенными примесями (выбросами автотрансно-р-а и предприятий города) переносится по пути наименьшего трения - вдоль поверхности водохранилища, где продукты конденсации укрупняются за счет дополнительного увлажнения. На траверсе аэропорта (ЛМСГ) по обширному глубокому оврагу они выходят в район летного ноля, претерпевая охлаждение за счет подъема (перепал высот 50+60 метров).

Второй максимум повторяемости ограниченной видимости наблюдается при штилевых условиях. Наибольшая повторяемость диапазона видимости 3-г5км наблюдается при ветрах западной четверти (особенно 2604-270°).

Для исследуемого района был проведен анализ синхронных и асинхронных связей (рантовые корреляции Снирмепа - К) дальности видимости со значениями метеорологических величин у поверхности земли, параметрами задерживающих слоев в нижней тропосфере, характеристиками полей приземного давления и геопотенциала Н7оо-

В пределах суток значения автокорреляции практически не снижаются ниже 0.4. а во временном интервале 24-4Кч<- преимущественно равны 0.3-0.4.

Для соседних сроков К, в основном, колеблется в пределах 0.75-0,80. При увеличении интервала времени (ДО между наблюдениями от одного до 8-12 ч происходит резкое уменьшение К. Далее наблюдается относительная стабилизация значений коэффициента корреляции. При интервале 20-24 часа выявлено неко-юрое увеличение значений автокорреляции за счет суточног о хода.

Наблюдаются значительные различия изменения коэффициента автокорреляции, как по абсолютной величине, так и характеру его хода, в зависимости от синоптической ситуации.

Для всех рассматриваемых сроков при синхронных наблюдениях наиболее высокие коэффициенты корреляции выявлены между дальностью видимости, относительной влажностью и общим количеством облаков. С высотой облачное! и и температурой воздуха относительно высокие коэффициенты корреляции имеют только значения видимости, наблюдаемые в послеполуденные сроки.

Исследование асинхронных связей привело к следующим результатам. Относительно высокие показатели тесноты связи характеристик видимости получены с относительной влажностью, количеством облаков и продолжительностью светлого времени. Экстремальные значения видимости имеют относительно тесную связь с дальностью видимости в утренние часы, продолжительностью дня и количес1вом облаков. Минимальная видимость в осадках, также, значимо коррелирует с ВНГО и высотой снежного покрова.

Получена количественная оценка связи дальности видимости с параметрами задерживающих слоев, характеристиками полей приземного давления и геопотенциала Н70л. При детализации по сезонам года и синоптическим ситуациям коэффициенты корреляции составляют 0,5-0,6.

С учетом выявленных связей и механизмов изменения характеристик дальности видимости, исходя из практических потребностей и возможных уровггей ограничения исходной информации, методом пошаговой линейной регрессии были разработаны пакеты прогностических уравнений.

За минимальный уровеггь (I) обеспеченности априорной информацией, при которой можно разрабатывать методический прогггоз, было принято наличие данных о предшествующих значениях прогнозируемых величин за четыре фиксированных срока предшествующих суток и характеристик естественной освещенности. Для расчета последних разработагга специальная программа. Ниже приводится уравнение для прогноза дальности видимости на 7 ч утра:

Я7=68+ 0,770Б3-0,048А8,9.7-297,4Л1вс, (I)

где Бз - дальность видимости (м) в 3 ч текущих суток, - изменение даль-

ности видимости (м) между 19 и 7 ч предшествующих суток, /1/лс - интервал времени (ч) между восходом Солнца и моментом времени, на который разрабатывается прогноз (7ч).

На практике часто возникает другая ситуация, когда прогнозист гге располагает информацией о предшествующем ходе значений дальности видимости, но имеет данные наблюдений за комплексом метеовеличин в приземном

слое по своему пункту в момент щк.niow Л 1-й уровень обеспеченности исходной информацией). В этом случае уравнение для прогноза видимости на 15 часов имеет вид

S„ 5048+ 0,199S3-286,5N3+2,09H3J 81,8F3+58.4Т3+539.2dP3, (2)

где N3, Iii, /•'; ,Т3 , dPj - соответственно количество (б) и высота (м) нижней границы облаков, скорость ветра (м/с), температура воздуха (°С) и барическая тенденция (мм. рт. ст./ 3 ч) в Зч утра в пункте прогноза.

При наличии данных наблюдений за стандартным комплексом метеорологических величин у поверхности земли в пункте прогноза, хотя бы за отдельные сроки предшествующих суток (уровень III), возможности прогнозирования характеристик видимости существенно расширяются. Помимо уравнений для прогноза значений видимости в фиксированные сроки, по данным утренних наблюдений и ходу метеоэлементов за прошедшие сутки, были построены регрессионные уравнения для прогноза экстремальных значений (S'шх , , $min'), временных характеристик (tKaN, 1ШХ , Atoe, . ^Li , Л/ос)- изменения видимости при начале выпадения осадков (zlSoe). а также порядкового номера преобладающей и наименьшей градаций дальности видимости, ожидаемых в предстоящие сутки.

Синоптическая обстановка при данном уровне обеспеченности исходной информацией учитывается посредством включения в уравнения параметров изменения давления, направления ветра, а также отклонения вегра от западного направления - AD2to (преобладание зональной или меридиональной составляющей). Существенно, что в большинстве случаев в уравнения в качестве предикторов входят не сами значения метеовеличин, а их изменения за определенные интервалы времени. Ожидаемая продолжительность (мин) сохранения дальности видимости менее 2000 м рассчитывается по формуле

AL2-466-0.0695S, i O.Í8AD27o-I4JI'*13-Í 0.(B5AS,, 1Г(\257ЛНv41.7АГ'Ю.557Л1)LV7, (3)

где F*¡3 -скорость вегра (м/с) за 13 ч предшествующих суток, AS¡s.¡3 , AHJ9.i¡ , AF¡3_3 , ADn- соответственно изменения дальности видимости (м), высоты нижней границы облаков (м), скорости 1м/с)-и направления (°) ветра между различными сроками (нижний индекс) предшествующих суток.

Следующий уровень (IV) обеспеченности исходной информацией предполагает наличие данных радиозондирования в пункте прогноза. На этом этапе была разработана программа для расчета характеристик температуры, влажности и ветра для каждого слоя, ограниченного особыми точками в нижней и средней тропосфере, а также ожидаемых значений адвекции температуры в приземном слое на ближайшие 12 часов. Уравнение для прогноза максимальной видимости при данном уровне исходной информацией имеет вид

• . > ' . :p'¡

SM4jr=16465 Y0,35S*,9-147,6R*7+246}^¡3+lMAH19-i5-10,5áDI5.l3-141.2AT'A, (4)

где Я*7 - относительная влажность воздуха (%) в 7 ч предшествующих суток. ЛТ'А - расчетное значение адвективного изменения температуры воздуха в приземном слое в пункте прогноза.

В прогностических уравнениях при пятом (V) уровне обеспечен!гости исходной информацией в качестве предикторов использовались объективные критерии синоптической обстановки, рассчитанные по значениям давления у поверхности земли и геопотенциала Н7оо в узлах прямоугольной расчетной сетки. Уравнение для расчета дальность видимости на 19 ч при этом имеет вид

Siq ~9463-J 19.8hcn+1233At„-83AR 1.U+333F*¡r-l32.3 -212,9Fa2. (5)

где Лен -высота снежного покрова (см), - интервал времени (ч) между заходом Солнца и моментом времени, на который разрабатывается прогноз (19 ч), ,1Я ¡-и -изменение относительной влажности между 3 ч текущих суток и 13 ч

предшествующих суток, - производная приземного давления в мери-

диональном направлении в точке, расположенной в 250 км к югу от пункта прогноза, F(;2 - скорость градиентного ветра на изобарической поверхности 700 rila в точке, расположенной севернее пункта прогноза на 500 км.

Были также разработаны прогностические уравнения для решения других задач, часто возникающих в практ ике метеорологического обеспечения, например, для поэтапного уточнения прогноза дальности видимости.

Уравнения строились по пяти вариантам, отличающимся заблаговремен-ностыо и объемом исходной информации. По первому варианту расчеты производятся с заблаговременностьто 13-24 часа только по данным наблюдений за один срок. В каждом последующем варианте уменьшается заблаговременность и увеличивается количество информации. Ниже приводится уравнение для зимнего периода в случае теплого фронта с заблаговременностыо 24 часа

С помощью дискриминантного анализа построены функции для определения достижения пороговых значений видимости, а также для прогноза преобладающего характера циркуляции (циклональная - антициклональная), устойчивости синоптической обстановки (сохранение - смена), возможности выпадения осадков (наличие-отсутствие) в течение ближайших суток в пункте прогноза.

Для того чтобы сделать вывод о целесообразности использования полученных прогностических уравнений, была проведена их сравнительная оценка.

SBl -486+0,1261S';4 -61.6F-2I+60.4T-24+19.7R-24+300.3dP-24 (6)

При оговоренных условиях обеспеченности информацией (использование только данных локальных наблюдений), помимо изложенного методического прогноза, имеется возможность использования только инерционного, климатического и синоптического методов.

Анализ полученных на независимом материале результатов позволяет сделать вывод о том, что прогнозы характеристик дальности видимости, выполненные по представленным прогностическим уравнениям, имеют более высокую оправдываемость, чем по другим методам прогноза. Использование построенных уравнений позволяет уменьшить средние абсолютные ошибки прогноза на 300 - 900 м, по сравнению с синоптическим методом. Преимущество методического прогноза сказывается тем сильнее, чем больше заблаговремсн-ность прогноза и выше уровень информационной обеспеченности.

Использование данных радиозондирования существенно уменьшает ошибки прогнозирования характеристик видимости вне осадков, точнее характеризует продолжительность градаций с ограниченной видимостью и условия для ее улучшения за счет прогрева и пространственного перераспределения за-мутняющих частиц. Характеристики поля давления и геопотенциала, напротив, значительно улучшают качество прогноза дальности видимости в осадках, особенно при прогнозе экстремальных и временных характеристик.

В работе представлены распределения абсолютных ошибок методического прогноза характеристик дальности видимости при различной обеспеченности исходной информацией. Практически во всех случаях их распределения близки к нормальному и чем выше информационный уровень, тем плотнее ошибки расположены к центру распределения и меньше повторяемость грубых ошибок.

Оправдываемость прогнозов основных исследуемых характеристик дальности видимости составляет от 72 до 87% в зависимости от уровня обеспеченности информацией.

Оправдываемость альтернативных прогнозов достижения пороговых значений дальности видимости составляет 79-85%.

В четвертом разделе рассмотрено влияние микрофизических, спектральных оптических характеристик атмосферы и значений массовой концентрации атмосферных примесей на значения дальности видимости у земли. Предложена методика использования этой информации для повышения качества прогнозов дальности видимости при ограниченной априорной информации.

Перераспределение замушяющих частиц по размерам, изменение количества крупных (наиболее оптически активных) замутняющих частиц, динамика концентрации естественных и антропог енных атмосферных примесей, изменение соотношения пропускания излучения на разных длинах волн, как правило. не только определяют фактическую видимость, но и предопределяют предстоящее изменение условий видения. Поэтому одним из путей совершенство-

вания методов прогноза дальности видимости при ограниченном объеме априорной информации является использование в прогностических алгоритмах микрофизических, спектральных оптических характеристик атмосферы, данных о количестве и составе атмосферных примесей.

При проведении исследования использовались наблюдения озонометри-ческих станций и пунктов наблюдений за загрязнениями, спектральная прозрачность атмосферы (СПА), спектральная оптическая плотность атмосферного аэрозоля (СОП), параметр Юнге (п), количество больших частиц в единице объема (Ы), массовая концентрация основных ингредиентов атмосферных примесей и ее динамика в пределах суток.

С целью изучения возможности и целесообразности использования перечисленных характеристик в алгоритмах прогноза дальности видимости было проведено исследование на примере Воронежа и Санкт-Петербурга.

Был проведен анализ распределения и взаимосвязи характеристик дальности видимости с микрофизическими, спектральными оптическими характеристиками атмосферы и массовой концентрацией естественных и антропогенных примесей. Методом линейной пошаговой регрессии были построены прогностические уравнения.

С использованием микрофизических и спектральных оптических характеристик атмосферы уравнения строились для прогноза минимальной дальности видимости в утренние часы, максимальной дальности видимости в середине дня и дальности видимости вечером в сумерках. Уравнение для прогноза минимальной видимости имеет вид

8^ -11587+-75,7ТЗ-159,9ЯЗ+138,4Рх=5ЗО-40,7 Э, (7)

где Р^-по - СПА (%) на длине волны 530 мкм, Э - коэффициент эффективности задерживающего слоя (°С-100м).

Общая оправдываемость прогноза экстремальных значений дальности видимости, рассчитанная на независимом материале, для Воронежа и Санкт-Петербурга составила 82 - 87%. Прогноз интервала времени между экстремальными значениями видимости имеет оправдываемость 75% при требуемой точности ±30 мин и 94% при точности ±60 мин.

Влияние атмосферных примесей на дальность видимости анализировалось по десяти ингредиентам (окись углерода, сернистый ангидрид, окись и двуокись азота, фенол, формальдегид, аммиак, аэрозоль серной кислоты, пыль и сажа), а также по их суммарному количеству.

Наибольший вклад в массовую концентрацию примесей вносит окись углерода (около 80%), на пыль приходится 15%, а остальные вещества в сумме составляют 4-6%. Несмотря на это, более значительные статистические связи выявлены между дальностью видимости и ингредиентами, имеющими мень-

шую концентрацию, такими как сернистый ангидрид, аммиак, оксиды азота. Это происходит за счет их активного участия в химических и фотохимических реакциях, приводящих к образованию аэрозолей среднеднсперсной и грубо-дисперсной фракций, оказывающих существенное влияние на прозрачность атмосферы.

Влияние антропогенного воздействия на видимость значительно зависит от синоптической ситуации и наиболее существенно при антициклональных, "застойных" условиях (при слабом ветре и наличии приземных или низких приподнятых инверсий).

С учетом перечисленных факторов, разрабатывались уравнения для прогноза дальности видимости на различные моменты времени последующих суток (3, 7, 15, 19 ч) по данным за предшествующие сутки. Пыли рассмотрены три варианта обеспеченности исходной информацией. В первом варианте использовались только данные наземных метеорологических наблюдений за предшествующие сутки. Второй вариант предполагает учет общего количества примесей, осредненного по городу и срокам наблюдения, а также условий их распространения по вертикали (параметры задерживающих слоев). В третьем варианте учитывается не только общая концентрация примесей, но и влияние отдельных ее компонентов. Так для прогноза дальности видимости на 13 ч

Б3 „=8017-458.4М,У\ 0.45„л398.3Р15-166.3Гги„- -2163у„+Х3, (8)

гдеXз=365.0(ЫО),3-865.9(1(1)(7_19) <-365.2с1(С611}ОН)(7_191,

Р""/5 - скорость ветра на верхней границе инверсии (м/с), - вертикальный градиент температуры в слое инверсии (°С/100 м).

N0 - массовая концентрация окиси азота, - изменение общего количества примесей, с((С6Н50Н') - изменение содержания фенола (мг/м1).

Если при первом варианте. стиплтгческая модель учитывает 30 - 40% дисперсии рассчитываемой величины, то при третьем - 53 - 68%.

Общая оправдываемость прогностических уравнений, рассчитанная на независимом материале, составила нкм псрг.см уровне исходной информации 55-62%, при втором - 65-69%, при третьем - 78-82%.

Использование оптических, микрофизических характеристик атмосферы и массовой концентрации примесей возможно не только в пунктах нахождения специализированных станций, но и путем получения данных от штатных химических служб частей и соединений МО, МЧС и других ведомств, а также организацией собственных наблюдений по прибору М-83 или его аналогам.

Схема построения прогностических алгоритмов представлена на рисунке.

Пунктирной линией выделены блоки с необязательными операциями, служащие вспомогательными (графическими) средствами представления исходных данных и их взаимосвязи или операциями по обработке специфической информации, используемой только при ее наличии.

Рис. Схема построения алгоритмов прогноза дальности видимости

Рис. Схема построения алгоритмов прогноза дальности видимости (окончание)

Штриховкой обозначены блоки, включающие уже существующие методы и способы перерасчета значений метеорологической оптической дальности (горизонтальной дальности видимости) в другие характеристики прозрачности приземного слоя атмосферы или способы для уточнения прогноза характеристик дальности видимости в отдельных явлениях для наиболее опасных диапазонов видимости (в снежных зарядах в тумане).

В заключении приведены основные результаты проведенного исследования.

1. Выявлены закономерности распределения комплекса характеристик дальности видимости в различные сезоны года, время суток и при различных синоптических ситуациях для района Воронежа.

2. Разработаны программы расчета характеристик барического поля у земли и на высоте изобарической поверхности 700 гПа, параметров ветра и адвекции температуры по значениям давления (геопотенциала) в узлах прямоугольной расчетной сетки для учета влияния синоптической обстановки, а также характеристик естественной освещенности для учета влияния суточного и годового ритма на изменение дальности видимости.

3. Получены количественные оценки синхронных и асинхронных связей между характеристиками дальности видимости и метеорологическими величинами в приземном слое, состоянием подстилающей поверхности, параметрами задерживающих слоев, характеристиками барического поля у земли и на высоте изобарической поверхности 700 гПа. Наиболее тесные связи характеристик видимости выявлены со значениями относительной влажности, температурой воздуха, количеством и высотой нижней границы облаков, а также с изменениями этих метеовеличин за различные интервалы времени, значения коэффициентов корреляции с которыми находятся в пределах 0,4-0,7. Коэффициенты автокорреляции также достаточно велики и существенно зависят от синоптической ситуации, сезона года и интервала времени между сроками наблюдений.

4. Предложена методика прогноза характеристик дальности видимости и алгоритмы ее реализации для решения задач метеорологического обеспечения с учетом пяти основных уровней обеспеченности исходной информацией и их возможных вариантов применительно к конкретным задачам. Созданная программная база позволяет производить автоматизированное построение уравнений регрессии и дискриминантных функций для других районов (пунктов) ЕТ РФ, имеет "гибкую" конфигурацию и может быть адаптирована к иной программной среде, а также к решению других задач анализа и прогноза погоды.

5. Построены уравнения но разработанной методике для района Воронежа и некоторых других пунктов для прогноза дальности видимости на заданные и фиксированные сроки в пределах суток, минимальных (с конкретизацией по явлениям) и максимальных значений видимости, изменения видимости при начале выпадения осадков, времени достижения экстремальных значений и продолжительности сохранения градаций видимости. Построены также дискриминантные функции для определения преобладающей циркуляции

(циклоническая - антициклоническая), устойчивости синоптической ситуации (сохранение - смена), возможности выпадения осадков (наличие-отсутствие) и прогноза достижения пороговых значений дальности видимости.

6. Оценена успешность предложенных подходов. Сравнение их с возможными подходами при ограниченной агрдорной информации, показало, что предложенные прогностичсскис урам.епия дозволяют значительно повысить качество прогноза дальности видимости. Абсолютные ошибки прогноза по представленным уравнениям для всех уровней обеспеченности исходной информацией и независимо от участка диапазона дальности видимости имеют распределения близкие к нормальным, а их средние значения существенно меньше, чем при остальных доступных методах прогноза видимости в условиях ограниченной метеоинформации.

7. Исследовано распределение микрофизических и спектральных оптических характеристик атмосферы и параметры их взаимосвязи с дальностью видимости. Выявлена их роль как дополнительного фактора, характеризующего степень прозрачности воздушных масс. Предложены уравнения регрессии для прогноза характеристик дальности видимости с учетом оптического состояния среды и микроструктуры замутняющих частиц.

8. Показана целесообразность привлечения в модели прогноза дальности видимости данных о химическом составе приземного слоя атмосферного воздуха. Определена возможность использования для этих целей результатов наблюдений городской сети за уровнем загрязнения воздушного бассейна. Наглядно показано преимущество модели с учетом концентрации антропогенных и естественных примесей с детализацией по ишредиентам.

9. Разработаны практические рекомендации по использованию предлагаемой методики построения прогностических алгоритмов для других районов и их использования при оперативном метеообеспечении.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Применение спектрального анализа атмосферных аэрозолей для определения метеорологической дальности видимости // Тез. докл. III науч.-тех. конф. Воронежского ВВАИУ "Проблемы повышения эффективности метеорологического, аэродромно-технического и инженерно-аэродромного обеспечения ВС",- Воронеж, 1992, -с.56-57.

2. Теоретические основы применения спектрального анализа для прогноза видимости // Сб. науч. статей Воронежского ВВАИУ. -Воронеж, 1993, - вып. 15.-с.88-95.

3. Исследование физико-статистических связей горизонтальной видимости с микрофизическими, оптическими и метеорологическими характеристиками атмосферы // Сб. науч. статей Воронежского ВВАИУ. - Воронеж: 1995,-вып. 17.-С.66-70.

4. Разработка алгоритмов прогноза комплекса сложности летно-метеороллогических условий (в соавторстве с A.B. Пазаренко и Н.И. Чупри-ным). Отчет о НИР. -Воронеж, ВВВАИУ, 1995, -143с.

5. Применение системы статистического анализа SAS для решения задач метеорологического прогнозирования. Материалы Российского молодежного научного симпозиума "Проблемы информационного и экологического мониторинга". - Воронеж, 1996, -ч.1, -с.52.

6. Назаренко A.B., Расторгуев И.П. О влиянии антропогенных и естественных примесей на прозрачность атмосферы в приземном слое (в соавторстве с A.B. Назаренко). // Тез. док. Всерос. науч. Конф. "Современная география и окружающая среда" -Казань, 1996, -ч.Ш, -с. 132-134.

7. Исследование оптических и микрофизических свойств атмосферы района Воронежа // Сб. науч.-метод. матер. Воронежского ВВАИУ. - Воронеж, 1996, -вып.18. -4.1. -с.14-20.

8. Влияние антропогенных факторов на прозрачность приземного слоя атмосферы // Тез. докл. Регион, науч.-тех. конф. "Проблемы экологии и экологической безопасности Черноземья". - Липецк, 1996.-С.53-54.

9. Методика построения алгоритмов прогноза дальности видимости (в соавторстве с A.B. Назаренко). // Тез. док. Всерос. науч. конф. "Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств обеспечения авиации" - Воронеж, 1997, -с.197-199.

10. Расчет адвективных изменений температуры при прогнозе дальности видимости // Тез. док. Всерос. науч. конф. "Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств обеспечения авиации" -Воронеж, 1997, -с.208-209.

11. Учет годового и суточного хода при прогнозе дальности видимости // Сб. науч.-метод. матер. Воронежского ВВАИУ. - Воронеж, 1997, -вып. 20, -с.94-

12. Исследование распределения значений дальности видимости в районе эазирования // Сб. науч.-метод. матер. Воронежского ВВАИУ. - Воронеж, 1997, ■вып. 20, -с.75-82.

13. Методика прогноза сложности летно-метеорологических условий на ¡аданные моменты времени (в соавторстве с A.B. Назаренко и И.В. Шашко-1ым) // Сб. науч.-метод. матер. Воронежского ВВАИУ. - Воронеж, 1997, -вып. 20, -с.83-93.

14. Исследование взаимосвязи дальности видимости с оптическими мик-юфизическими и метеорологическими атмосферы (в соавторстве с A.B. Наза->енко, В.Ф. Авдеевым и A.A. Суббота). Отчет о НИР. -Воронеж: ВВВАИУ, 997, -60с.

97.

Подписано к печати 12. 04. 98 Заказ

_Тираж 100 экз.__

Издательство Воронежского ВВАИУ 394064 г. Воронеж, ул. Ст. Большевиков, 27