Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Создание синоптико-статистических моделей вертикальных сдвигов ветра в нижнем 500-метровом слое атмосферы по данным метеорологических мачт России

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Каширский, Виктор Дмитриевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ЦЕНТР РОССИИ

КАШИРСКИЙ В.Д.

СОЗДАНИЕ СИНОПТИКО - СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИГОВ ВЕТРА В НИЖНЕМ 500-МЕТРОВОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ

МАЧТ РОССИИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: кандидат географических наук Глазунов В.Г.

МОСКВА -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ О ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИГАХ ВЕТРА В НИЖНЕМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

1.1. Влияние вертикальных сдвигов ветра на воздушные суда (ВС). 9

1.2. Методы измерения ветра в нижних слоях атмосферы для определения вертикального сдвига ветра в этих слоях. 20

1.3. Вертикальные сдвиги ветра в пограничном слое атмосферы. 26 ГЛАВА I. СОЗДАНИЕ БАНКА ДАННЫХ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ

СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИГОВ ВЕТРА В НИЖНЕМ 500-МЕТРОВОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ

НАБЛЮДЕНИЙ НА ВЫСОТНЫХ МАЧТАХ РОССИИ.

2.1. Характеристики исходных данных для подготовки банка данных

и проведения исследований. 43

2.2. Методика обработки и создание автоматизированного банка данных метеорологических величин для построения синоптико-статистических моделей вертикальных сдвигов ветра. 46

ГЛАВА 3. СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЕЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИГОВ ВЕТРА В НИЖНЕМ 500-МЕТРОВОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

3.1. Анализ синоптико-статистических моделей вертикальных сдвигов ветра в нижнем слое атмосферы. 52

3.2. Общие статистические характеристики вертикальных сдвигов ветра в нижнем 500-метровом слое атмосферы. 69

3.3. Зависимость величины вертикальных сдвигов ветра от высоты и времени суток в различных синоптических условиях. 81

3.4. Зависимость величины вертикальных сдвигов ветра от высоты и

градиента литературы в различных синоптичеких условиях. 85

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ СИЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИГОВ ВЕТРА В НИЖНЕМ 500-МЕТРОВОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

4.1. Годовой ход повторяемости сильных вертикальных сдвигов ветра в нижнем 500-метровом слое атмосферы. 90

4.2. Суточный ход повторяемости сильных вертикальных сдвигов ветра в нижнем 500-метровом слое атмосферы. 95

4.3. Распределение повторяемости сильных вертикальных сдвигов

ветра по высотам. 104

4.4. Анализ распределения повторяемости сильных вертикальных сдвигов ветра в течение года при различных синоптических условиях. 114

ВЫВОДЫ 121

ЛИТЕРАТУРА 123

ВВЕДЕНИЕ

Усиления сдвигов ветра в нижнем слое атмосферы представляют серьезную опасность для полетов на малых высотах, при выполнении взлета и посадки воздушных судов (ВС). В нижних слоях атмосферы ветер не остается постоянным с высотой и наблюдается его изменения как по скорости, так и по направлению. Это вызывает отклонения самолета от траектории набора высоты или глиссады снижения, что создает трудности пилотирования в самые ответственные моменты полета. При недостаточно точной или запоздалой коррекции этих отклонений пилотом (парировании) может возникнуть ситуация, чреватая даже летным происшествием [40, 121, 149, 158, 186, 194].

В мировой летной практике зарегистрирован ряд летных происшествий (ЛП), включая катастрофы (ВС) при полетах на малых высотах, при выполнении взлета и посадки, решающим фактором в которых были признаны сильные сдвиги ветра в нижних слоях атмосферы [31].

На современном этапе развития метеорологического обеспечения авиации встал вопрос о более точных сведениях об изменениях ветра с высотой в нижнем слое атмосферы, который самолет пересекает после отрыва при взлете или на последнем участке глиссады снижения перед посадкой [105,108]. Сведения о сдвигах ветра являются также весьма полезными для обеспечения старта самолетов вертикального взлета и ракетных систем, старта и посадки космических кораблей, при проектировании высотных сооружений и для решения целого ряда других практических и теоретических задач [104, 139, 141].

В странах, имеющих развитую гражданскую авиацию, ведутся интенсивные исследования сдвигов ветра на малых высотах. Они проводятся в направлении создания новых методов определения детальной структуры поля ветра в нижних слоях атмосферы с помощью наземных и бортовых средств измерений. Эти исследования и разработки очень важны для повышения безопасности полетов ВС, поскольку известно, что многие ЛП из-за сдвига ветра были бы предотвращены, если бы информация о сдвиге ветра была заблаговременной [153]. Детальные метеорологические исследования последних лет показали, что изменения скорости и направления ветра в малых по толщине слоев у поверхности Земли могут достигать весьма больших значений [40,42, 64,69].

Современный уровень обеспечения взлета и посадки самолетов предполагает введение более полного учета влияния всех метеорологических факторов, в том числе и сдвига ветра. Впервые вопрос о сдвигах ветра, влияющих на взлет и посадку ВС, был поставлен на высоком международном уровне во время заседания Ш и IX сессий Комиссии по авиационной метеорологии (KAM), Всемирной метеорологической организации (ВМО), проходивших совместно с конференциями по аэронавигации Международной организации гражданской авиации (ИКАО) в 1964г. в Париже и в 1967г. в Монреале. В документах этих сессий [32, 33] отмечается, что для современных ВС представляют опасность резкие изменения ветра в приземном слое атмосферы, наблюдающиеся на небольших участках траектории движения ВС. Сдвиги ветра могут вызвать отклонения от планируемой траектории полета ВС, что опасно из-за близости Земли на соответствующих этапах полета.

На заседаниях V сессии KAM ВМО ( Женева, 1971г.) было рекомендовано и далее расширять исследования по проблемам сдвига ветра во всех странах - членах ВМО и ИКАО [62]. В решениях Ш, IV, V сессий KAM ВМО были даны основные понятия и определения сдвигов ветра, а также показано в общих чертах его влияние на полет ВС, что сыграло важную роль в исследованиях и совершенствовании метеорологического обеспечения полетов.

В настоящее время во многих странах мира проводятся исследования сдвигов ветра в нижнем слое атмосферы по следующим основным направлениям: -исследования влияния сдвигов ветра на полет ВС и разработка приемов пилотирования в этих условиях, которые позволяют поддерживать безопасность полета при усилениях сдвига ветра;

- разработка методов и средств (как наземных, дистанционных и контактных, так и бортовых) измерений детальной структуры поля ветра с целью организации оперативного оповещения экипажей ВС и службы движения;

- исследования метеорологических условий усиления сдвигов ветра с целью разработки методов как косвенной оценки, так и прогноза сдвигов ветра по общей метеорологической информации, которой располагает синоптик АМСГ;

- построение синоптико-статистических моделей сдвигов ветра в нижних слоях атмосферы по данным стационарных метеомачт с целью использования этих данных в практической работе метеоподразделений для

оценки сдвигов ветра и предоставления информации на борт ВС, а также для разработки новых, более надежных бортовых систем обнаружения и предупреждения об усилениях сдвигов ветра в атмосфере. В соответствии с рекомендациями ВМО и ИКАО, в России в ряде ведомств проводились исследования по проблеме сдвигов ветра; эти работы ведутся по всем указанным направлениям.

В США проводились конференции по проблеме сдвига ветра и ведется научная работа в этой области по соответствующим целевым программам. Создан специальный комитет, координирующий работы по проблеме сдвига ветра [155].

Развитие исследований привело к резкому нарастанию числа публикаций по соответствующим вопросам, расширению круга рассматриваемых задач, появлению ряда полезных для практики результатов исследований. Общее число работ на различных языках, посвященных режиму ветра в приземном и пограничном слоях атмосферы, по-видимому, достигает в настоящее время нескольких тысяч. Поэтому может показаться, что рассматриваемые вопросы являются достаточно изученными. Однако исследования, соответствующие специфике поставленной задачи, довольно ограничены и лишь отдельные работы рассматривают вопрос в необходимом аспекте. Таким образом, существует настоятельная необходимость в продолжении исследований сдвигов ветра в нижних слоях атмосферы.

В настоящее время уже получены общие выводы о характере влияния сдвигов ветра на полет ВС и даны рекомендации по технике пилотирования при сильных сдвигах ветра, однако решение проблемы безопасности полетов ВС в этих условиях в основном зависит от успехов работ в направлениях по разработке методов и средств (как наземных, дистанционных и контактных, так и бортовых) измерений детальной структуры поля ветра с целью организации оперативного оповещения экипажей СВ и службы движения, а также исследований метеорологических условий усиления сдвигов ветра с целью разработки методов как косвенной оценки, так и прогноза сдвигов ветра по общей метеорологической информации. Так, в США для решения этой проблемы создан Комитет по сдвигу ветра на малых высотах, по рекомендации которого Национальной Академией США была разработана в 1986 году и принята к реализации комплексная программа по сдвигу ветра (ФА), которая охватывает как метеорологические, так и технические, а также эксплуатационные аспекты, касающиеся опасности сдвига

ветра на малых высотах. Они предусматривают создание учебных программ в этой области по всем категориям обучающихся, разработку стандартных моделей сдвигов ветра, создание технических средств для прямой оперативной связи между экипажем и диспетчерскими службами, установку систем обнаружения сдвигов ветра (LLWSAS), создание метеорологических PJIC следующих поколений, бортового датчика дистанционного обнаружения, разработку новых правил летной эксплуатации ВС с учетом сдвигов ветра, включая тренажеры для фиксации сдвигов ветра, исследования характеристик сдвигов ветра на малых высотах, анализа имеющихся данных путем осуществления программ (LAWS) направленных на осуществление наблюдений за сдвигом ветра с привлечением всех имеющихся технических средств в наиболее предрасположенных к усилениям сдвига ветра районах [120].

Исходя из вышеперечисленных проблем и задач по сдвигам ветра в нижних слоях атмосферы, а также увеличивая их воздействие на ВС, были проведены исследования в этой области на основе массива статистического материала по данным высотных метеорологических мачт России.

Основной целью нашего исследования стало получение синоптико-статистических характеристик моделей вертикальных сдвигов ветра в нижнем 500-метровом слое атмосферы над европейской территорией России. Для этой цели был создан автоматизированный архив данных на техническом носителе, включающий в себя сведения о направлении и скорости ветра, а также температуры на различных высотах по наблюдениям на ВМК (высотном метеорологическом комплексе) Останкино (Москва) за 10 лет и метеорологических мачтах С.-Петербурга и Ростова-на-Дону за 1 год. Были подготовлены специальные программы для обработки полученного . материала с целью расчета вертикальных сдвигов ветра (ВСВ) и их дальнейшей классификации, проведения сравнительного анализа полученных статистических характеристик для различных синоптических условий, построения графиков и номограмм зависимостей ВСВ от различных параметров.

Необходимо отметить, что такая работа у нас в стране проводилась впервые, т.к. ранее такие исследования опирались либо на данные шаропилотных наблюдений (не обладающих достаточной точностью), либо на отдельные данные бортовых систем ВС, или проводились по непродолжительным, имеющим отрывочную последовательность данным измерений на высотных

метеорологических мачтах. Выводы, сделанные нами в итоге проведенных исследований, дают основания предполагать, что они являются достоверными, поскольку измерения параметров ветра на высотных сооружениях с помощью стационарных приборов обладают точностью, недостижимой для всех других способов измерения параметров ветра. Результаты, полученные автором диссертации по данным датчиков ветра, установленных на стационарных мачтах (телевышках), во многом согласуются с исследованиями ряда авторов, которые проводились ранее по данным Обнинской высотной метеорологической мачты и ВМК Останкино. В результате данной диссертационной работы была получена общая картина повторяемости ВСВ в различных по толщине слоях, нижняя граница которых находится на различной высоте от поверхности Земли.

В результате проведенных исследований, представленных в данной диссертации, были получены синоптико-статистическиех характеристики моделей ВСВ в нижнем 500-метровом слое атмосферы. Определены количественные статистические характеристики значений ВСВ по сезонам года, времени суток, для различных по высоте слоев, а также для ряда типовых вариантов синоптического положения. Получено подтверждение гипотезы о типовых вертикальных профилях ветра, соответствующих определенной интенсивности вертикального обмена количеством движения (ВОКД), вызывающих появление сильных ВСВ 500-метровом слое атмосферы.

Полученные синоптико-статистические характеристики моделей ВСВ могут быть использованы в практических целях для метеорологического обеспечения авиации и для разработки технических средств по повышению безопасности полетов ВС при усилениях ВСВ. С их помощью можно проводить количественную оценку значений ВСВ в различных метеорологических условиях, приводящих к усилениям ВСВ в нижних слоях атмосферы. Полученные синоптико-статистические характеристики в дальнейшем могут стать основой для создания статистически обеспеченных диагностических и прогностических методов оценки значений ВСВ в нижних слоях атмосферы.

Диссертация является обобщенным изложением проведенных автором исследований в данном направлении.

ГЛАВА 1

ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ О ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИГАХ ВЕТРА В НИЖНЕМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

1Л. Влияние вертикальных сдвигов ветра на воздушные суда (ВС)

Характер влияния сдвигов ветра на полет ВС вот уже в течении ряда лет анализируется в научной литературе. К настоящему времени по этому вопросу имеется обширная библиография.

Как следует из некоторых документов ВМО и работ ряда авторов [30,121,186,194,200], сущность влияния ВСВ на самолет при наборе высоты или снижении заключается в следующем. Изменяя высоту, самолет попадает на уровень, на котором ветер может отличаться от ветра на предыдущем уровне, но вследствие инерции некоторое время продолжается движение самолета с прежней путевой скоростью относительно Земли. В связи с этим происходит временное изменение воздушной скорости самолета и величины его подъемной силы; изменение направления ветра с высотой, в свою очередь, приводит к изменению направления движения ВС. Указанное влияние сдвига ветра будет, очевидно, тем больше, чем больше сама величина сдвига ветра в рассматриваемом слое. Так как в данном случае имеет место неустановившееся движение самолета в потоке с переменными свойствами, то для него непригодны традиционные представления об отсутствии зависимости воздушной скорости ВС от ветра в условиях установившегося движения самолета. Таким образом, под влиянием сдвига ветра самолет при наборе высоты или снижении может испытать определенный горизонтальный порыв ветра относительно корпуса. Влияние такого порыва рассматривается многими авторами [9,33,112,121,141].

Необходимо отметить, что в данном случае присутствует определенный механизм воздействия горизонтального порыва на самолет, на что указывают почти все авторы. Заключается он в том, что при резком увеличении скорости встречного потока ("положительный порыв") возникает увеличение подъемной силы, что приводит к кабрированию или ("подбрасыванию") самолета. Падение скорости встречного потока (отрицательный порыв) приводит к уменьшению подъемной силы и потере высоты ("проваливание"). Под действием этих порывов

происходит переход к нестационарному движению самолета, которое по мнению целого ряда авторов [34,40,42] является до сих пор неразрешенной проблемой с точки зрения ее математического описания.

Пока эта проблема не разрешена, мы можем лишь качественно оценивать направленность влияния ВСВ на самолет и производить приближенные количественные оценки этого влияния.

На больших высотах, как отмечено у Ж. Зброжека [200], при наборе высоты или снижении на больших скоростях (близких к М), в случаях пересечения оси струйного течения появляется вибрация ВС. При этом автор указывает, что в таких случаях может произойти нарушение устойчивости режима полета с посл�