Способ дистанционного определения условий обледенения воздушных судов на основе радиометрии реального времени
METHOD OF REMOTE DETERMINATION OF CONDITIONS FOR AIRCRAFT ICING BASED ON RADIOMETRY OF REAL TIME

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения зон возможного обледенения воздушных судов в режиме реального времени.
Наиболее распространенный способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов основан на измерениях фактических значений вертикальных профилей температуры с использованием метода радиозондирования [1, 2]. В атмосферу два раза в сутки выпускается в свободный полет радиозонд, снабженный датчиками различных метеорологических параметров, включая датчики температуры и влажности. Для расчетов прогноза возможности обледенения воздушного судна используются различные прогностические модели такие, как метод Годске [1, 2] или метод, который предложен в NCEP [3]. Основной недостаток данного способа определения зон возможного обледенения, заключается в том, что он имеет низкое пространственное и временное разрешение и требует наличия средств измерений аэрологических измерений на территории, где необходим контроль обледенения.
Для обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов в условиях возможного обледенения используются методы, основанные на измерениях бортовых метеорадиолокаторов. В работе [4] предложен метод эффективного дистанционного обнаружения зон вероятного обледенения летательных аппаратов путем оптимального выбора алгоритма обработки информации пассивно-активной радиолокационной системы с использованием нелинейной дискриминантной функции.
Данный метод неприменим для своевременного обнаружения зон возможного обледенения в атмосферы при наземном базировании устройств.
H,0
d,0
H,0
d,0
Известен дистанционный способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов в режиме реального времени [5], который включает измерение температурного профиля T(h), высоты нижней кромки облачности Н и приземного значения относительной влажности R или приземного значения температуры точки росы T. Профиль Т(h) измеряется с помощью метеорологического температурного профилемера, а величины Н, R или Т измеряются с помощью измерителя нижней границы облаков и метеостанции.
Пространственные зоны возможного обледенения определяются путем использования, например метода NCEP, описанного в работе [3], по формулам:
-16°С≤T(h)≥0°С,     (1)
H
R(h)≥63%,              (2)
H
где R(h) - профиль относительной влажности.
H
Главный недостаток известного способа заключается в том, что профиль влажности R(h) восстанавливается по модели
H,0
H
где R=R(0) - значение относительной влажности на поверхности земли.
H
При построении модельного профиля влажности также предполагается, что на нижней границе облачности выполняется условие Rh(H)=100%, которое также может не реализовываться на практике. Таким образом, известный способ определения зон возможного обледенения основывается на модельных представлениях о высотном ходе влажности и условии R(H)=100% и могут не выполняться в атмосфере.
Задачей, на решение которой направленно данное техническое решение, является своевременное обнаружение зон возможного обледенения в приземном слое атмосферы при наземном базировании устройств, измеряющих метеорологические величины, с использованием фактических данных об общем влагосодержании атмосферы. Технический результат - достоверность фактических значений возможного обледенения воздушных судов при высоком пространственном и временном разрешении на определенной территории.
Задача решается следующим образом. Как и в прототипе, метеорологический температурный профилемер устанавливают в заданном районе наблюдения, и с его помощью регистрируют фактические значения вертикального профиля температуры. После чего осуществляют математическую обработку полученных данных с привлечением данных об общем влагосодержании атмосферы.
В отличие от прототипа в заданном районе наблюдения рядом с метеорологическим температурным профилемером также устанавливают радиометр водяного пара, который измеряет общее влагосодержание в атмосфере. Вначале регистрируют несколько (n) фактических значений общего влагосодержания, затем регистрируют фактическое значение вертикального профиля температуры в текущий момент времени. Затем осуществляют математическую обработку полученных данных путем построения гистограммы общего влагосодержания по n проведенным измерениям и определяют наиболее вероятную величину Q, которое соответствует максимальному значению гистограммы. Если максимальное значение гистограммы общего влагосодержания удовлетворяет неравенству
2
Q≥4кг/м, (4) то зонами возможного обледенения считают области, где выполняются неравенства
-16°С≤T(h)≤0°С,      (5)
где Т(h) - фактическое значение вертикального профиля в текущий момент времени на высоте h.
Изобретение поясняется чертежами, где приведено:
Фиг. 1 - общее влагосодержание в период с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г.
Фиг. 2 - профиль температуры в период с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г.
Фиг. 3 - суточные вариации приземных значений метеопараметров с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г.
Фиг. 4 - суточные вариации высоты нижней границы облачности (ВНГО) с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г.
Фиг. 5 - гистограмма общего влагосодержания в периоды обледенения воздушного судна с 28 октября 2016 г. по 28 февраля 2017 г.
Фиг. 6 - функция распределения вероятностей, полученная в периоды обледенения воздушного судна с 28 октября 2016 г. по 28 февраля 2017 г.
Фиг. 7 - гистограмма, вычисленная по десяти значениям в период умеренного обледенения с 16.11 по 16.20 UTC 28 октября 2016 г.
Фиг. 8 - пространственные зоны возможного обледенения воздушных судов за период с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г.
Способ осуществляется следующим образом.
Измерения профиля температуры и общего влагосодержания осуществлялось в 10 км от Международного аэропорта Томска в Геофизической обсерватории ИМКЭС СО РАН в период с 28 октября 2016 г. по 28 февраля 2017 г. ипроводились в нижнем километровом слое с помощью наземного метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ [5]. Радиометрической системой РМС-1 [6] определялось общее влагосодержание. Оба прибора были установлены рядом. Периодичность измерений температурного профиля и общего влагосодержания составляла один раз в десять минут и один раз в минуту соответственно. Таким образом, временное разрешение предлагаемого способа в период проведения эксперимента равно десять минут.
В период проведения эксперимента согласно данным АМИС-РФ от 28 октября 2016 г. наблюдались слабое обледенение в облаках с 00.03 по 10.00 UTC (нижняя граница облачности варьировалась в диапазоне 60 -360 м) и умеренное обледенение в слое высот от 300 до 1500 м с 10.17 по 22.32 UTC.
Общее влагосодержание атмосферы является интегральным параметром, который характеризует наличие воды в атмосфере. На фиг. 1 представлены результаты измерений общего влагосодержания, полученные в 10 км от Международного аэропорта Томска в Геофизической обсерватории ИМКЭС СО РАН за период с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г. с помощью наземной системы PMC-1. На фиг. 2 показаны дневные вариации профиля температуры, полученные в Геофизической обсерватории ИМКЭС СО РАН за тот же период с помощью наземного метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ.
Кроме общего влагосодержания атмосферы и профиля температуры в ходе эксперимента фиксировались приземные значения метеопараметров и высота нижней границы облачности. Приземные значения метеопараметров определялись в Геофизической обсерватории ИМКЭС СО РАН с помощью универсальной метеостанции Vaisala WXT520, а высота нижней границы облачности - в аэропорту приборами, входящими в систему АМИС-РФ. На фиг. 3 изображены суточные вариации приземных значений метеопараметров с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г., а на фиг. 4 - суточные вариации высоты нижней границы облачности 28 октября 2016 г.
Из фиг. 1 и 2 видно, что общее влагосодержание изменялось в широких пределах, а значения температуры в километровом слое пограничного слоя отрицательные и соответствуют условию возможного обледенения воздушного судна по температуре (5). Анализ поведения приземных значений метеопараметров и высоты нижней границы облачности показывает, что граница облачности находится вблизи поверхности земли, а содержание влаги в атмосфере велико и удовлетворяет условию (2) (см. фиг. 3 и 4).
2
Гистограмма общего влагосодержания и функция распределения вероятностей, полученные за периоды обледенения воздушного судна с 28 октября 2016 г. по 28 февраля 2017 г., изображены на фиг. 5 и 6. В интервал значений Q=[0, 4] попадают величины общего влагосодержания с вероятностью 0,85%. Следовательно, наиболее вероятными значениями общего влагосодержания, которые соответствуют возможному обледенению воздушного судна, можно считать Q≥4 кг/м.
2
В качестве примера на фиг. 7 показана гистограмма, вычисленная по десяти значениям (n=10) в период умеренного обледенения с 16.11 по 16.20 UTC 28 октября 2016 г. Видно, что максимальное значение общего влагосодержания в десятиминутный период равно 6,6 кг/м, что больше величины 4 кг/м.
На фиг. 8 пространственные зоны возможного обледенения воздушных судов представлены за период с 00.00 по 24.00 UTC 28 октября 2016 г. Пунктиром показаны пространственные зоны фактического обледенения, построенные по данным АМИС-РФ, и информация о которой поступала с воздушных судов. Серым и белыми цветами изображены результаты расчета по формулам (4) и (5). Зоны возможного обледенения изображены серым цветом, а белый цвет соответствует зонам, в которых по предлагаемому методу не должно быть обледенения воздушного судна. Видно, что в этот день согласно предлагаемому методу обледенение воздушного судна возможно в период с 00.00 по 22.54 UTC, что хорошо согласуется с фактическими данными АМИС-РФ, полученными с бортов самолетов.
Предлагаемый способ дистанционного определения обледенения воздушных судов на основе радиометрии реального времени позволяет рассчитать пространственные зоны возможного обледенения. Учитывая тот факт, что чувствительность различных типов воздушных судов к обледенению неодинакова, принятие окончательного решения о вероятности обледенения воздушного судна зависит от конкретных условий в аэропорту.
Таким образом, оперативные испытания показали, что разработанный способ дистанционного определения обледенения воздушных судов на основе радиометрии реального времени обеспечивает высокую достоверность фактических значений возможного обледенения воздушных судов при высоком пространственном и временном разрешении за счет получения принципиально новых возможностей при наземном базировании температурного профилемера и радиометрической системы. Предлагаемый способ обеспечивает определение возможного обледенения воздушных судов как в чисто капельных переохлажденных облаках, в зоне переохлажденного дождя, мокрого снега, мороси и т.п. под облаками, так и при непосредственной сублимации водяного пара.
Способ может быть использован, в первую очередь, на аэродромах, где отсутствует регистрация фактических значений вертикальных профилей влажности воздуха.
Литература
1. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометоиздат, 1977.
2. Баранов A.M., Солонин С.В. Авиационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
3. Первушин Р.В. Обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов в условиях вероятного обледенения // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. №2 (16), 2013, с. 9-12.
4. Thompson G., Bruintjes R.T., Brown B.G., Hage F., 1997: Intercomparison of in-flight icing algorithms. Part 1: WISP94 real-time icing prediction and evaluation program // Weather and Forecasting, v. 12, pp. 848-889.
5. Пат. 2580375. Россия, МПК, G01W 1/10, B64D 15/20. ИМКЭС CO РАН. №2014154535/28; Заявл. 30.12.14; Опубл. 10.04.16. Бюл. №10.
6. Ильин Г.Н., Троицкий А.В. Определение тропосферной задержки радиосигнала радиометрическим методом // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2017, т. 60, №4, с. 326-335.