Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Термодинамический режим стратосферы Северного полушария и долгосрочное прогнозирование полетов аэростатов

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Термодинамический режим стратосферы Северного полушария и долгосрочное прогнозирование полетов аэростатов"

С-- КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

\ V-_ ___

<- --

На правах рукописи

ЗАБ0ДЧЕНК0В Вадим Алексеевич

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СТРАТОСФЕРЫ СЕВЕРНОГО" ПОЛУШАРИЯ И ДОЛГОСРОЧНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЛЕТОВ АЭРОСТАТОВ

11.00.09. - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

КАЗАНЬ - 1УУ5

- г -

Работа выполнена в Казанском государственном университе и Воздухоплавательном центре России.

Научные руководители - доктор географических наук,

профессор Переведенцев Ю.П.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кащеев Л.А.

Официальные оппоненты - доктор географических наук,

профессор Семенов Е.К.

- доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Фахрутдинова А.Н.

Ведущая организация - Саратовский государственный

университет

Защита состоится " 2 " марта 1995 г. в часов на заседании диссертационного совета К 053.29.15 в Казанском государственном университете, по адресу: 420008, г. Казань, ул. Ленина, 18, корп.2, географический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанскс университета. Отзывы и замечания, заверенные печатью, напр? лять по указанному адресу в 2 экземплярах.

Автореферат разослан ".З^" Ш-ь/ /> 1995 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент В. И. Мозжерин

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Важность задач, решаемых с использованием аэростатических летательных аппаратов (АЛА), уникальность и высокая стоимость научной аппаратуры предъявляют высокие требования к качеству прогнозов элементов траекторий их полетов. С появлением в России нового поколения АЛА, предназначенных для полетов на высотах 25-50 км, потребовалось разработать новую методику прогнозирования многосуточных полетов аэростатов в условиях практически полного отсутствия традиционной оперативной информации о физическом состоянии воздушной среды на высотах применения АЛА. Решению этой задачи и посвящена тема диссертационной работы.

Актуальность темы работы обусловлена:

- важностью исследовательских и прикладных задач, решаемых с помощью аэростатов на высотах 25-50 км;

- практическим отсутствием оперативных метеорологических данных на высотах 35-50 км;

- недостаточной изученностью атмосферных процессов на высотах 25-50 км применительно к задачам воздухоплавания;

- практической необходимостью осуществлять прогнозирование многосуточных полетов АЛА на высотах 25-50 км в целях обеспечения безопасности воздушного движения и обеспечения возврата научной аппаратуры для анализа экспериментального материала или для повторного использования приборов;

- необходимостью совершенствования методик прогнозирования траекторий многосуточных полетов АЛА на высотах 25-35 км и отсутствием методик прогнозирования полетов аэростатов на высотах более 35 км.

Цель работы состоит в исследовании особенностей формирования термического и ветрового режимов верхней стратосферы для разработки методики прогнозирования многосуточных полетов аэростатов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- оценить годовые и внутрисезонные вариации составляющих вектора ветра и температуры воздуха верхней стратосферы;

- исследовать пространственно-временное распределение озонообусловленных притоков тепла в верхней стратосфере внет-ропической зоны Северного полушария;

- оценить вклад озонообусловленных притоков тепла в формирование термодинамического поля верхней стратосферы внетро-. пической зоны Северного полушария;

- разработать методику прогнозирования многосуточных полетов, АЛА, учитывающую особенности формирования термодинамического поля верхней стратосферы;

- провести экспериментальную оценку результативности разработанной прогностической методики.

, Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены новые количественные данные об амплитудах и фазах гармоник разложения годового и внутрисезонного хода составляющих вектора ветра и температуры воздуха в слое.25-50 км;

- получены новые количественные данные о пространственно-временном распределении озонообусловленных притоков тепла в стратосфере Северного полушария в картографированном виде для высот 25, 30, 35, 40 и 45 км;

- получены новые количественные данные о вкладах озонообусловленных притоков тепла в формирование термодинамического поля стратосферы внетропической зоны Северного полушария;

- в постановке и решении задачи нового класса при разработке методики прогнозирования многосуточных полетов АЛА в слое 35-50 км.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке методики прогнозирования многосуточных полетов АЛА на высотах 25-50 км, которая позволила повысить точность прогнозирования в среднем на 3-4% при использовании ее для обеспечения полетов на высотах 25-50 км в теплый период года.

Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, используются:

- в Физическом институте им. Л.Н. Лебедева РАН при метеорологическом обеспечении .планирования многосуточных полетов аэростатов на высотах 25-50 км;

-в Долгопруднинском КБ автоматики при метеорологическом обеспечении испытаний новых образцов АЛА;

- в войсковой части 52527 при оперативном метеорологическом обеспечении полетов АЛА, а также при совершенствовании существующих и разработке новых методик прогнозирования полетов АЛА в верхней стратосфере.

Они могут быть также использованы при подготовке инженеров-метеорологов в высших учебных заведениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Особенности пространственно-временной структуры полей ветра и температуры воздуха в верхней стратосфере Северного полушария.

2. Характеристики пространственно-временного распределения озонообусловленных притоков тепла в верхней стратосфере внетропической зоны Северного полушария.

3. Данные о вкладах озонообусловленных притоков тепла в формирование термического и динамического режимов верхней стратосферы внетропической зоны Северного полушария.

4. Методика прогнозирования многосуточных полетов АЛА в верхней стратосфере летом.

Апробация результатов. Представленная работа является итогом исследований автора, проводившихся в рамках НИР, выполненных в Воздухоплавательном центре России в 1990-1994 годах. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Общепланетарные проблемы исследования Земли" (Казань 1994); Научных Чтениях, посвященных развитию идей К.Э. Циолковского, секция "Авиация и воздухоплавание" (Калуга 1988,1989,1994); на Научно-технических конференциях Воронежского ВВАИУ (1989,1992); на ежегодных итоговых научных конференциях в Казанском университете, начиная с 1990 года; на заседаниях научно-технического совета в в/ч 52527 (1993,1994).

Результаты диссертационной работы реализованы в:

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

- 49-ой летно-испытательной станции Долгопруднинского КБ автоматики;

- войсковой части 52527.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11- работ.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет страниц, работа содержит 25 рисунков и 19 таблиц. Список использованных литературных источников включает 74 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены основные характеристики и назна-

чение АЛА, особенности организации и непосредственного осуществления метеорологического обеспечения полетов АЛА, обоснована актуальность теш диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, оценены научная новизна и практическая направленность диссертационной работы.

В первой главе приведен обзор современного состояния исследований . климата верхней стратосферы, проанализированы работы, посвященные оценке климатообразующих факторов и особенностей формирования климата верхней стратосферы, сформулирован вывод о необходимости проведения дополнительных исследований применительно к задачам воздухоплавательной метеорологии, определены методические приемы решения задач прогнозирования траекторий многосуточных полетов АЛА в различные периоды года.

Высокая степень зависимости АЛА от физического состояния воздушной среды требует исследования климатических особенностей стратосферы с привлечением нового статистического материала, имеющего более детальное представление исходных данных по высоте и по времени.

Для уточнения климатических характеристик стратосферы была сформирована выборка данных ракетного зондирования о ветре и температуре воздуха в слое 25-50 км на ст. о.Хейса и Волгоград за период 1967-1988 г. Общий объем данных о ветре составил: 1382 случая для ст. о.Хейса и 1248 случаев для ст. Волгоград. Общий объем данных о температуре воздуха составил: 1306 случаев для ст. о.Хейса и 1082 случая для ст. Волгоград.

Поля температуры и ветра в средней и верхней, стратосфере подвержены периодическим колебаниям с различной временной частотой. Выделение таких вариаций, имеющих систематический характер, является одной из важных задач при решении проблемы долгосрочного прогнозирования ветра и траекторий АЛА в стратосфере. .";■'•

Как показали расчеты, выполненные с использованием метода разложения в ряды Фурье, годовой ход метеорологических величин достаточно надежно описывается первыми двумя гармониками. Первая гармоника о периодом 12 месяцев модулируется вариациями солнечной радиации в течение года. Вторая гармоника отражает меридиональный перенос тепла в атмосфере и имеет период 6 месяцев.. Результаты гармонического анализа позволили уточнить особенности межширотного и вертикального распределения ампли-

туд 1 и 2 гармоник разложения годового хода температуры воздуха и составляющих вектора ветра в слое 25-50 км.

В атмосферных процессах, помимо годовых и полугодовых колебаний, наблюдаются также вариации с меньшими периодами. Оценка вкладов короткопериодичных вариаций во внутрисезоннуга изменчивость ветра и температуры воздуха верхней стратосферы производилась для холодного (с ноября по февраль) и теплого (с мая по август) сезонов. Для этих периодов были сформированы массивы средних декадных значений температуры и составляющих вектора ветра в слое 25-50 км по ст. Волгоград и о. Хейса. Для оценки вкладов короткопериодичных вариаций использовался также метод разложения в ряды Фурье.

В результате проведенных расчетов выявлены следующие закономерности временной структуры температуры воздуха и составляющих вектора ветра в стратосфере.

Холодный период года. Временной ход температуры воздуха в полярных широтах характеризуется уменьшением вклада первой гармоники в суммарную амплитуду внутрисезонного хода температуры выше .уровня 30 км. В слое до высоты 40 км амплитуда первой гармоники еще преобладает во внутрисезонном ходе, но уже в слое 45-50 км определяющими являются 3-4 гармоники. В умеренных широтах, в целом, наблюдается аналогичная картина: амплитуды первой гармоники преобладают во внутрисезонном ходе вплоть до высоты 45 км. Начиная с уровня 35 км, прослеживается ярко выраженный вторичный максимум в области 3-4 гармоник. С увеличением высоты значения амплитуд в этой области возрастают и зоне стратопаузы становятся преобладающими во внутрисезонном ходе.

Рассматривая временной ход зонального ветра в полярных широтах, необходимо отметить незначительный вклад первой гармоники в суммарную амплитуду внутрисезонного хода. Для внутри-сезонного хода зонального ветра в полярной стратосфере определяющими являются амплитуды 3-4 гармоник. В умеренных широтах амплитуда первой гармоники зонального ветра возрастает с высотой, достигая максимальных значений в области стратопаузы, и полностью доминирует в суммарной амплитуде внутрисезонного хода. Короткопериодичные гармоники существенно влияют на временной ход зонального ветра лишь в нижнем слое, где на высоте 25 км вклад амплитуд 3-4 гармоник по своему значению примерно ра-

- 8 -

вен вкладу амплитуды первой гармоники.

Временной ход меридиональной составляющей вектора ветра в полярной стратосфере характеризуется ярко выраженной внутрисе-зонной изменчивостью. Первая гармоника преобладает в суммарной амплитуде временного хода меридионального ветра до высоты 40 км, а в слое 45-50 км внутрисезонный ход меридионального ветра определяется амплитудами 3-5 гармоник. В умеренных широтах во всем рассматриваемом слое стратосферы первая гармоника меридионального ветра не является определяющей в суммарной амплитуде внутрисезонного хода, основной вклад при этом вносят 3-4 гармоники.

Теплый период года. Внутрисезонный ход температуры воздуха почти полностью определяется амплитудой первой гармоники как в полярных, так и в умеренных широтах. Амплитуды коротко-периодичных гармоник не превышают уровень шума.

Внутрисезонный ход зонального ветра в полярной стратосфере проявляется лишь в зоне стратопаузы, где первая гармоника является основной периодичностью. На нижних уровнях все выделенные значения амплитуд не превышают уровень шума. Временная изменчивость зонального ветра в умеренных широтах характеризуется ярко выраженным внутрисезонным ходом, определяемым первой гармоникой.

Временная изменчивость меридионального ветра в полярных и умеренных широтах характеризуется отсутствием внутрисезонного хода его изменений, но полученные значения амплитуд не превышают уровень шума.

Полученные результаты позволили сформулировать вывод о том, что при прогнозировании полетов АЛА в холодный период года необходимо учитывать высокочастотные гармоники. В теплый период года роль короткопериодичных гармоник пренебрежимо мала и основное значение при прогнозировании многосуточных полетов АЛА для этого периода года имеет внутрисезонный ход метеорологических величин.

Вторая глава посвящена исследованиям пространственно-временного распределения озонообусловленных притоков тепла (ОПТ) в стратосфере внетропической зоны Северного полушария и оценке их климатообразующей роли. В дальнейшем под термином ОПТ будет подразумеваться функционально связанная с притоком тепла величина озонного нагрева атмосферы.

В методической части главы приводятся формулы для расчета нагрева атмосферы за счет поглощения солнечной коротковолновой радиации озоном и скорости охлаждения атмосферы за счет длинноволнового излучения двуокиси углерода.

При расчетах ОПТ использовался метод восстановления вертикального распределения озона из его общего содержания, разработанный, Р.Д. Еожковым. Это позволило привлечь к расчетам данные наблюдений за общим содержанием озона (0С0) по мировой сети озонометрических станций и отказаться от использования модельных профилей распределения озона.

Для получения распределений ОПТ исходным материалом послужили данные измерений 0С0 на станциях Северного полушария-за период с 1969 по 1989 г., приведенные в узлы географической сетки с шагом 10 град, вдоль широты и вдоль долготы. В результате проведенных расчетов получены средние месячные распределения озонного нагрева в стратосфере внетропической зоны Северного полушария.

Анализ полученных результатов позволил определить основные особенности пространственно-временного распределения ОПТ.

Зима. Для всех месяцев сезона типична следующая картина пространственного распределения значений ОПТ: их максимальные значения приходятся на низкие широты, тогда как в полярной области наблюдаются минимальные величины. Распределение значений ОПТ по вертикали также однородно и характеризуется монотонным возрастанием их величин до 48 км.

В декабре наблюдается годовой минимум притоков тепла, обусловленнный условиями зимнего солнцестояния. Интенсивность -ОПТ в зоне стратопаузы составляет 7.6 К/сут в субтропиках и по мере продвижения к северу уменьшается до 2.9 К/сут на 70 с.ш.

В январе, с увеличением продолжительности дня, происходит усиление озонного нагрева стратосферы, интенсивность ОПТ в зоне стратопаузы составляет 7.7 и 4.6 К/сут на 40 и 70 с.ш., соответственно.

В феврале, в связи с окончанием полярной ночи, начинается радиационный нагрев полярной стратосферы. Интенсивность ОПТ на высоте 48 км составляет 9.4 К/сут в субтропиках и 3.8 К/сут ~ в полярной области.

Весна. Образование области высоких значений. ОПТ в поляр-■ ных широтах - основная особенность весеннего периода. Весенний

сезон характеризуется постепенным распространением озонного нагрева на более низкие слои стратосферы. Вертикальное распределение ОПТ характеризуется монотонным возрастанием их величин до уровня стратопаузы. Но широтный ход ОПТ имеет свои особенности.

В марте широтный ход, характерный для зимнего периода, сохраняется до высоты 38 км. В зоне стратопаузы наблюдается нарушение этого режима и минимальные среднеширотные значения наблюдаются на бо'с.ш. Причем интенсивность ОПТ в полярной области примерно равна интенсивности ОПТ в субтропиках (10.2 и 11.5 К/сут, соответственно).

В апреле происходит дальнейшее развитие полярной области ОПТ, ее интенсивность уже существенно превосходит интенсивность притоков тепла в субтропиках (14.7 и 11.4 К/сут, соответственно) . Нарушение зимнего широтного хода ОПТ наблюдается во всей стратосфере, область минимальных среднеширотных значений ОПТ располагается на 60 с.ш.

В мае до высоты 43 км ОПТ достигают своих максимальных значений в высоких широтах и уменьшаются по мере продвижения к югу. При этом в зоне стратопаузы, на высоте 48 км, где еще сохраняются остатки самостоятельной субтропической области высоких ОПТ, область минимальных значений наблюдаются на широте 60* с.ш. В это время наблюдается максимум годового хода ОПТ в зоне полярной стратопаузы (14.8 К/сут на 80 с.ш.).

Лет. В этот сезон отмечается годовой максимум значений ОПТ, широтный ход их величин характеризуется расположением наибольших величин в высоких широтах, что наблюдается во всем слое стратосферы. Только в августе, в зоне стратопаузы, происходит нарушение этого распределения, связанное с формированием субтропической области высоких значений ОПТ, и область минимальных среднеширотных значений располагается на 60 с.ш.

В июне область ОПТ в высоких широтах получает свое наибольшее пространственное развитие. Остатки субтропической области полностью размываются. Интенсивность нагрева увеличивается с высотой и достигает своих наибольших значений на высоте 48 км в умеренных широтах и в слое 43-48 км - в высоких широтах (14.8 и 12.6 К/сут соответственно).

В июле падение интенсивности ОПТ усиливается, их наибольшие значения наблюдаются в приполярном районе (14.3 К/сут в

зоне стратопаузы).

В августе в субтропических широтах начинает формироваться область высоких значений ОПТ, что проявляется в падении горизонтальных градиентов ОПТ практически на всех уровнях. Значения ОПТ в высоких широтах продолжают уменьшаться. Наибольшие значения ОПТ (13.6 К/сут) наблюдаются на широте 80 с.ш. в зоне стратопаузы.

Осень. Процесс перестройки поля ОПТ, начавшийся в августе, в начале осени практически завершается. Субтропическая область ОПТ вновь становится доминирующей в стратосфере. В этот сезон наблюдается широтный ход величин ОПТ по типу зимнего.

В сентябре остатки полярной области еще прослеживаются в слое 43-48 км, но в нижних слоях стратосферы уже наблюдается зимний широтный ход значений притоков тепла, с максимальными значениями в низких широтах. Величины ОПТ возрастают с высотой и достигают своих наибольших значений в зоне стратопаузы (9.6 и 8.9 К/сут на 8о'и 40°с.ш., соответственно).

В октябре субтропическая область ОПТ полностью доминирует в стратосфере. В связи с уменьшением продолжительности дня величины притоков тепла продолжают уменьшаться. Максимум средне-широтных значений наблюдается на высоте 48 км (8.2 К/сут в субтропиках и 4.8 К/сут в полярной области).

Распределение ОПТ в ноябре определяется условиями начинающейся в нижней стратосфере полярной ночи. Интенсивность ОПТ в зоне стратопаузы составляет 4.8 к/сут в полярной области и 8.2 К/сут на 40'с.ш.

Для исследования межгодовой изменчивости поля ОПТ под воздействием вариаций солнечной активности из общей выборки исходных данных об 0С0 были выделены периоды, соответствующие эпохам минимума и максимума солнечной активности.

Анализ пространственно-временных распределений ОПТ для эпох экстремумов солнечной активности показал, что с повышением уровня солнечной активности происходит увеличение значений ОПТ на 20-30%. Такие вариации значений ОПТ могут успешно описывать изменения метеорологических величин в стратосфере с одиннадцатилетним периодом.

Для прогнозирования полетов АЛА существенный интерес представляет изучение вклада различных факторов в процесс формирования термодинамического поля стратосферы.

- 12 -

Оценка роли ОПТ в формировании термодинамического поля стратосферы проводилась на примере термического поля с использованием данных ракетного зондирования атмосферы на станциях России, США и Канады. Исходя из географического положения, эти станции были разбиты на три группы: полярная область (о.Хейса 80' 37 с.ш., 58' 03' в.д.); приполярная область (Форт-Черчилл

О / в / О ! С /

58 44 с.ш., 93 49 З.Д.; Покер-Флетс 64 00 с.ш., 145 44 З.Д.); область умеренных широт (Волгоград 48 45 с.ш., 45 45 в.д.; Примроз-Лайк 54 45 с.ш., 110 03 з.д.).

Расчеты проводились по следующему алгоритму: -■рассчитываются фактические изменения температуры воздуха и соответствующие им значения озонообусловленных изменений температуры воздуха в слоях 28-33, 33-38, 38-43 и 43-48 км;

- определяется относительная величина вклада ОПТ в формирование термодинамического поля стратосферы.

В результате расчетов получены оценки климатообразующей роли ОПТ для различных районов Северного полушария.

В полярной области в холодный период года ОПТ определяют -только 5-20% от общего изменения'температуры воздуха, а летом величина вклада ОПТ возрастает до 80-90%. Соотношение вкладов ОПТ и факторов, имеющих динамическую природу, в переходные сезоны года зависит от характера изменения радиационного режима. Весной в формировании термического поля, более значительна роль ОПТ, а осенью - динамических факторов.

Зимой, в приполярной области наблюдаются более значительные величины вкладов ОПТ, достигающие 20-50%. В летний период в формировании термического поля стратосферы приполярной об-'ласти преобладает вклад ОПТ (80-95%). Динамические факторы определяют не более 20% от общего изменения температуры в средней стратосфере, а в верхней ее части эта величина уменьшается до 5 - 10%. Весной и осенью в приполярных широтах в формировании термического поля преобладает вклад ОПТ, но зависимость соотношения величин вкладов радиационного и динамических факторов от знака изменения астрономических характеристик сохраняется. Эти особенности климатообразующей роли ОПТ типичны и для области умеренных широт. - Таким образом, в летний период ОПТ являются определяющим климатообразующим фактором стратосферы для всей полосы широт внетропической зоны Северного полушария.

Глава 3 посвящена описанию разработанной методики долгосрочного прогнозирования полетов аэростатов, а также экспериментальной оценке ее результативности.

Для аэростатных исследований, проводимых в интересах Российской академии наук, наиболее благоприятным периодом является теплый сезон. В связи с этим новая прогностическая методика ориентирована на прогнозирование полетов АЛА в стратосфере именно в теплый периода года.

На основании выводов, помещенных в главах 1 и 2, разработан алгоритм подготовки исходных данных для прогнозирования многосуточных полетов АЛА.

Изменения температуры воздуха в слое полетов АЛА представляются через притоки тепла радиационного характера, а вертикальные изменения скорости зонального ветра определяются как термический ветер. Учитывая это, для узлов географической сетки с шагом 10 град, вдоль широты и вдоль долготы произведены расчеты полей температуры и скорости зонального ветра в слоях 28-33; 33-38; 38-43; 43-48 км.

В качестве исходных данных использовались:

- средние месячные данные о температуре воздуха и скорости зонального ветра на изобарической поверхности 30 гПа, средние месячные данные об 0С0, отнесенные к середине соответствующих месячных интервалов,

- ежедневные данные о склонении Солнца в моменты его восхода и захода для летнего периода.

Расчеты проводились с использованием следующего алгоритма:

- рассчитывается вертикальное распределение озона по методике Р. Д. Еожкова;

- рассчитываются озонообусловленные изменения температуры воздуха для каждых суток рассматриваемого месяца в слоях 25-28; 28-33; 33-38; 38-43; 43-48 км с учетом соответствующих условий освещенности. Полученные значения относятся к середине рассматриваемых слоев;

- производится расчет верикального распределения температуры воздуха с использованием средних месячных значений температуры воздуха на уровне 30 гПа и совокупности ежедневных величин озонообусловленных изменений температуры;

- рассчитываются значения температуры воздуха для каждого километра высоты с использованием метода линейной интерполя-

ции;

- рассчитывается скорость зонального ветра с использованием ежедневных профилей температуры воздуха и средних месячных значений скорости зонального ветра на уровне 30 гПа, отнесенных к середине рассматриваемого месяца.

Точность восстановления температуры воздуха и скорости зонального ветра оценена с использованием данных ракетного зондирования на ст. Волгоград и о.Хейса за период с 1967 по 1988 гг. Среднеквадратические ошибки восстановления температуры воздуха {6Т ), скорости зонального ветра ) и соответствующие им доверительные полуинтервалы (&г, <&и) при уровне значимости Л = 0.05 приведены в таблицах 1-2.

Таблица 1

Средние квадратические ошибки восстановления температуры воздуха (К) и их доверительные полуинтервалы при уровне значимости / =0.05

ст. о.Хейса

т

СЛОЙ,|

ИЮНЬ

ИШЬ

АВГУСТ

км

N \ бт I IЛЧ С I I У

бГ ! .

28-33| 78| 5.12|0.815| 73| 4.92|0.816| 86

33-381 78| 4.51|0.717| 73| 2.80|0.464| 86

38-43| 78| 3.66|0.582| 73| 2.67|0.443| 86

43-481 78| 3.96|0.630| 73| 2.79|0.463| 86

4.56|0.692| 3.21|0.488| 3.0510.4631 3.65[0.555|

ст. Волгоград

—I-1-1-

60| 1.9210.3501 67

60| 1.84|0.3361 67

601 1.82|0.332| 67

60] 1.77|0.323| 67

28-331 731

33-38| 73|

38-431 73|

43-481 73|

I г 2.3810.4101 1.8810.3111 1.85|0.306| 1.83|0.303|

2.1210.3691 1.8610.323) 1.82|0.316| 2.5410.4411

Разработанный алгоритм подготовки исходных данных является основой для методики прогнозирования многосуточных полетов аэростатов.

Таблица 2

Средние квадратические ошибки восстановления скорости зонального ветра (м/с) и их доверительные полуинтервалы при уровне значимости = 0.05

ст. Волгоград

слой,|

июнь

июль

- АВГУСТ

км

I-1-1-1-1-1-1—

\у I М I 4 I &еи

28-33| 83I 2.31|0.356| 76| 3.11(0.4871 82

33-38| 83| 2.60|0.401| 76| 2.99|0.468| 82

38-431 83| 2.82|О.435| 76| 2.68|0.419| 82

43-481 83| 3.7110.5721 76| 3.44|0.539| 82

4 1

2.33|0.362| 2.61|0.4051 3.26|0.506| 3.89|0.604|

Для разработки прогнозов, кроме рассмотренных исходных данных, используются также следующие входные параметры:

- географические координаты района старта АЛА;

- географическая долгота точки срабатывания;

- расчетные данные о профиле полета АЛА;

- восстановленные данные о скорости зонального ветра в слое полета АЛА с шагом 1 км по высоте на период действия прогноза;

Применение методики . прогнозирования предусматривает последовательное циклическое выполнение следующих операций.

1. Вычисляются координаты северо-западного узла информа-. ционного четырехугольника, в котором располагается точка с текущими координатами АЛА.

2. С использованием метода линейной интерполяции вычисляются значения скорости зонального ветра для текущих географических координат АЛА.

3. В соответствии с профилем полета рассчитывается перемещение АЛА относительно географических координат за конкретный интервал времени.

Условием выхода из заданного цикла является . соответствие текущей долготы АЛА долготе точки прекращения полета.

4. Продолжительность полета, обеспечивающая выход АЛА в район прекращения полета, определяется как сумма шагов по вре-

мени.

Особенности конструкции отечественных АЛА ограничивают максимально возможную продолжительность полета до 10-14 суток. На этот период и ориентирована максимальная заблаговременность прогнозов, разрабатываемых с помощью этого алгоритма.

Точность прогнозов траекторий многосуточных полетов АЛА оценивалась по методике разработанной в Воздухоплавательном центре России. В качестве критерия результативности применены средние квадратические относительные тангенциальные и нормальные составляющие отклонений фактических траекторий от прогностических (ошибки прогнозов).

Оценка точности прогнозов многосуточных полетов АЛА, выполненных на высотах 25-35 км, проводилась с использованием 40 реальных траекторий, относящихся к периоду 1983-1990 г. Вычисления ошибок производились для временных отметок кратных 24 часам, при сравнении реальных траекторий с прогностическими, полученными с помощью синоптико-статистического метода и новой прогностической методики. Результаты расчетов показали, что использование авторской методики приводит к уменьшению средней радиальной ошибки прогноза на 3.3%.

В связи с отсутствием экспериментального материала о полетах аэростатов на высотах 35-50 км оценка точности прогнозов в этом слое не производилась.

В заключении сформулированы следующие основные выводы:

1. Проведено исследование периодических вариаций температуры воздуха и составляющих вектора ветра. Уточнены особенности меридиональных и.вертикальных изменений среднегодовых значений амплитуд 1 и 2 гармоник температуры воздуха и составляющих вектора ветра. Показано, что более 80% наблюдаемой суммарной амплитуды годового хода метеорологических величин определяется значениями амплитуд 1 и 2 гармоник.

2. Проведен анализ короткопериодичных вариаций температуры воздуха и составляющих вектора ветра в холодный и теплый периоды года.

В зимний период суммарная амплитуда внутрисезонного хода температуры воздуха определяется величиной амплитуды первой гармоники только до высоты 40 км, выше этого уровня основной вклад вносят амплитуды 3-4 гармоник.

Временной ход зональной составляющей вектора ветра в по-

лярных широтах определяется амплитудами короткопериодичных гармоник. В умеренных широтах величина амплитуды первой гармоники является преобладающей во всем рассматриваемом слое. Величина амплитуды первой гармоники является основной во внутри-сезонном ходе меридиональной составляющей вектора ветра в полярной стратосфере, а в зоне стратопаузы начинают преобладать амплитуды более короткопериодичных гармоник. Для умеренных широт величина суммарной амплитуды внутрисезонного хода определяется, в основном, вкладом короткопериодичных гармоник.

Временное распределение метеорологических величин в теплый период характеризуется преобладанием амплитуды первой гармоники во внутрисезонном ходе, тогда как амплитуды короткопериодичных гармоник не превышают уровень шума.

3. При прогнозировании многосуточных полетов АЛА в холодный период года необходимо учитывать высокочастотные гармоники. В теплый период года роль короткопериодичных гармоник пренебрежительно мала и основное значение в прогнозе имеет восстановление внутрисезонного хода метеорологических величин.

4. На новом фактическом материале проведены расчеты ОПТ с более высокой дискретностью представления информации по времени. Построены карты среднемесячных значений ОПТ для высот 25, 30, 35, 40 и 45 км во внетропической зоне Северного полушария. Детализировано пространственное распределение ОПТ и местоположение центров областей максимальных значений озонного нагрева.

Анализ пространственно-временных распределений ОПТ для эпох экстремумов солнечной активности показал, что с повышением уровня солнечной активности происходит увеличение их значений на 20-30%.

5. На основе предложенного алгоритма подготовки исходных данных разработана методика долгосрочного прогнозирования многосуточных полетов АЛА с учетом радиационных притоков тепла, проведенная сравнительная оценка точности показывает, что использование разработанной методики приводит к уменьшению средней радиальной ошибки прогноза на 3.3%. Показано, что синоптический подход к долгосрочному прогнозированию направления полета АЛА приводит к увеличению значений нормальных составляющих ошибок прогнозов. При метеорологическом обеспечении многосуточных полетов АЛА в летний период допустимо приближение реального ветра к зональному.

- 18 -

Основные результаты проведенных исследований опубликованы в следующих работах:

1. Заводченков В.А.,Пивоваров И.И. Учет характеристик солнечной активности в климатическом прогнозе траекторий исследовательских аэростатов// Труды XXIII чтений К.Э. Циолковского.- М: Изд-во ИИЕТ АН СССР, 1989.- С. 167-171.

2. Заводченков В.А. Некоторые подходы к проблеме сверхдолгосрочного и климатического прогноза траекторий полета аэростатов ././ Тезисы докладов II научно - технической конференции Воронежского ВВАИУ. - Воронеж: Изд-во ВВВАИУ, 1989. - С. 79-SO.

3. Заводченков В.А. О возможности учета параметров солнечной активности в прогнозе траекторий исследовательских аэростатов //Труды XXIV чтений К.Э. Циолковского.- М: Изд-во ИИЕТ АН СССР, 1990. - С. 106-109.

4. Заводченков В.А. Озон как трассер климата верхней и средней стратосферы// Тезисы докладов III научно-технической конференции Воронежского ВВАИУ.- Воронеж: Изд-во ВВВАИУ, 1992.- С. 5-7.

5. Заводченков В.А., Шершнев A.M. Эмпирическая модель температуры воздуха и ветра летней стратосферы //Сборник тезисов докладов международной конференции "Общепланетарные проблемы исследования Земли".- Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1994.- С.104-105.

6. Заводченков В.А., Шершнев A.M. К проблеме моделирования термодинамических полей летней стратосферы // Сборник трудов ВВВАИУ вып.15 - Воронеж: Изд-во ВВВАИУ, 1994.- С. 20-25.

7. Заводченков В.А., Шершнев A.M. К проблеме учета озоно-обусловленных притоков тепла при метеорологическом обеспечении полетов аэростатов // Сборник трудов 111 научно-практической конференции войсковой части 15650,- в/ч 15650, 1994,- С.12-17.