Специфика циклонических обстановок для авиаполетов

2008

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта

№ 134

УДК 551.5; 629.013

СПЕЦИФИКА ЦИКЛОНИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК ДЛЯ АВИАПОЛЕТОВ

О.П. ИВАНОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Шанявским А.А.

Рассмотрена структура мощных циклонов. Обращено внимание на локальные конвективные структуры циклонов, создающие резкие восходящие и нисходящие кумулятивные потоки воздуха. Особое внимание акцентировано на тепловых структурах возвышающихся над куполом мощных циклонов, что особенно опасно при выборе стратегии перелета циклонической структуры. Рассмотрена опасность для взлетных режимов хаотической динамики воздуха, связанной со шквальными низовыми потоками вблизи грозового фронта и нисходящими микрошквалами.

Тематика данной статьи навеяна недавними событиями в связи с авиакатастрофой вблизи Донецка, когда пилот для сокращения полетного времени предпринял принципиально неверную попытку восходящего пересечения циклонических грозовых масс.

Представляется, что в свете новых научных данных в области изучения циклогенеза и в связи с развитием новых подходов в области синергетики междисциплинарный анализ может быть полезен для выработки стратегии полета в вышеупомянутых условиях.

Принципы возникновения циклонов. Циклоном или барометрическим минимумом, барометрической депрессией называют область значительно пониженных давлений по сравнению с окружающим районом, что вызывает вихревое стечение масс к центру барометрического минимума.

Массы воздуха, скопившиеся близ центра вихря, вытесняются вверх за счет притекающих от периферии новых масс. Таким образом, восходящее движение, усиливающееся по мере приближения к центру циклона, есть необходимое следствие установившегося вихревого движения. Подымаясь кверху и расширяясь вследствие уменьшения давления с высотой, массы воздуха будут охлаждаться по мере поднятия почти на 1°С на каждые 100 м высоты.

Поднимающийся по спирали теплый воздух (пар) охлаждается также при переходе через точку росы (110С), где выделяет теплоту конденсации (до 540 кал/г), еще более разуплотняется и ускоряет свое движение вверх. Это автоматически приводит к турбулизации потока и ускорению вращения.

Наиболее быстро движется вверх центральная часть и поэтому начавшийся процесс конденсации вызывает резкое локальное понижение давления в центре. Туда устремляются уже более быстрые потоки, всё более ускоряя процесс конденсации, вовлекая всё новые и новые воздушные массы с переохлаждённым паром. К этому процессу подключается вторая «ступень разгона» - на высоте около 2 км происходит высвобождение латентного тепла за счет уплотнения охлаждающихся капель (около 100 кал/г), а далее за счет их замерзания (80 кал/г). Таким образом, суммарное латентное тепло при самых грубых оценках составит 720 кал/г. Непрерывный приток новых масс теплого воздуха, затягиваемых с теплой поверхности океана, раскручивает процесс стягивания локальных облачных систем к осевой зоне вращения.

С момента возникновения вихря все более энергичным поставщиком энергии становится турбулентный энергообмен, который увеличивает энергию упорядоченного вихревого движения за счёт уменьшения энергии хаотического теплового движения молекул, т. е. за счёт уменьшения температуры воздуха. Это еще один механизм выделения тепла, фактически не учитываемый ни в каких теориях.

В результате уменьшения температуры, которым сопровождается закручивание воздушных масс, ещё больше падает давление в “барической долине” и, соответственно, увеличиваются центральные силы барических градиентов. Это приводит к ещё более эффективному закручиванию, т.е. включается режим саморазгона циклона. Саморазгон притормаживается благодаря тому, что, по мере роста линейных скоростей закручивающихся воздушных струй, всё большую роль начинают играть центробежные силы и силы турбулентного трения. В стационарном режиме, когда для каждого элемента движущихся воздушных масс центробежная сила уравновешивает векторную сумму сил барического градиента и турбулентного трения, траектории воздушных потоков представляют собой, вообще говоря, сходящиеся к центру спирали.

Достигнут ли эти спирали центра циклона или нет - определяется параметрами исходной “барической долины” и метеопараметрами воздушных масс. Под метеопараметрами здесь мы будем понимать площадь океана, которая принимает участие в поставке теплых воздушных масс к центру вихря. При фокусировке потоков к центру циклона с начальным вращательным моментом, согласно закону сохранения вращательного момента, горизонтальная скорость воздушных масс возрастает как 1/г. Это типичный закон кумуляции.

Специфика грозовой части циклона. Мощный циклон в зрелой стадии развития представляет собой чрезвычайно сложную конвективно-вихревую структуру. Поле конвекции в облаках распадается на несколько ячеек (в некоторых грозах до 8). Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. В отдельных случаях скорость восходящих потоков достигает 30 м/сёк, в среднем же она составляет 10 - 12 м/сек. Даже в отдельных облачных системах циклона конвективная деятельность сочетается с вихревой и шквалисто-хаотической (рис. 1).

Рис. 1. Схема типичной мощной грозовой суперячейки ураганного типа в составе циклона

На ураганы особенно влияют сила и направление ветров верхнего уровня. Сильные ветры верхнего уровня способствуют развитию вертикальных ветров и создают ту причину, по которой вершина урагана будет надломлена и вытянута в виде наковальни.

Зрелая конвективная суперячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью (разрядами молний) и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр 2 - 8 км и простирается в высоту до уровня с температурой -40°С. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости равна 15 - 30 минутам, стадии затухания - около 30 минут. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.

С точки зрения авиатранспорта особое внимание в таких ситуациях должно быть привлечено к развитию двух явлений, сопутствующих системе грозовых образований - это шквалистый вал, движущийся впереди грозы, и микрошкалы - потоки воздуха, нисходящие резко вниз от грозового облака. Оба явления представляют серьезную угрозу для ситуаций низкого полета (рис. 2). В последнее десятилетие внимание исследователей привлекло изучение нисходящего движения воздушных масс во время грозы (микрошквалов). Это связано с опасностью, которую это явление представляет для авиации.

Рис. 2. Ситуация полета в условиях микрошквала

Нисходящие потоки воздушных масс были причиной самых крупных катастроф на гражданских авиалиниях. Такие потоки возникают через 5-10 минут после того, как восходящий поток и внутриоблачная грозовая активность достигают наибольшей мощности. В это время электрическое поле у поверхности Земли меняет полярность, возникают обильные осадки, которые несут к Земле положительный заряд; нижняя положительно заряженная часть облака перемещается к Земле, меняется частота молний, что в целом является маркером для диспетчеров авиалиний.

Пилот, попадающий в микрошквал, должен предугадывать внезапное и сильное изменение в направлении ветра и скорости. Первоначально встречный ветер закручивающегося микрошквала резко поднимает самолет, а затем сильный нисходящий поток вызывает резкую потерю высоты. Самолет на очень коротком участке испытывает резкий перепад противоположно направленных воздействий и терпит катастрофу.

Ситуация шквала обычно связана с передней частью мощного грозового образования, иногда приобретая валообразный вид. Шквал представляет собой горизонтальное конвективновихревое валообразное образование с порывистыми, резко переменными по направлению ветрами. Переменность и порывистость турбулизованных в валовой ячейке ветров представляет собой опасную ситуацию для взлета и посадки самолета, когда он из-за малой скорости находится в крайне неравновесном состоянии. Однако шквалы кратковременны. Примерно через 30 - 40 минут надвигается более спокойная зона дождя.

Специфика вертикальной структуры циклонов. Для обычного циклона умеренных широт характерно отсутствие равновесного радиуса, и в центре циклона происходит «схлёстка» ветров, достигающих ураганной силы; при этом образуется мощная восходящая струя с сильной турбулентностью. Разрушительная мощь центра циклона такова, что при его перемещении об-

разуются полосы бурелома в вековых лесах и сокрушаются капитальные строения. Печальный опыт имеют и авиаторы: в центре циклона возможно разрушение самолёта в воздухе. Удивительно, но это впечатляющее природное явление - схлёстка ветров в центре циклона с образованием восходящей турбулентной струи - до сих пор не имеет даже собственного названия. Это явление наиболее характерно для мезоциклонов, тромбов.

В последние годы особое внимание привлечено к изучению верхней части структуры особо мощных циклонов с целью поиска предвестников их ускоренного развития. С помощью анализа спутниковых данных было установлено, что большинство сильных циклонов (тропических и среднеширотных), соответствующих по шкале Саффира - Симпсона 4 и 5 категориям, вопреки старым представлениям, имеют резко выраженный рельеф облачной кровли. Благодаря тепловым измерениям было установлено, что главными нарушителями рельефа кровли являются так называемые «тепловые башни». Фактически - это локальные тепловые конвективные потоки, резко возвышающиеся над рельефом кровли. Такая ситуация возможна лишь благодаря наличию особой хаотической динамики внутри вихревой структуры такого циклона (вблизи центральной части), при которой возникают ситуации образования узких кумулятивных конвективных ячеек (рис. 3).

Рис. 3. Слева структура урагана Бонни, в центре расположена высокая конвективная башня

На рисунке слева четко выделяется конвективная колонна, простирающаяся до 17 км. Требуются очень высокие скорости восходящих потоков, чтобы такое образование могло возникнуть и существовать. Пилот, пытающийся пересечь циклон сверху, рискует столкнуться с такой абсолютно внештатной ситуацией и тогда негативный исход неизбежен. Следует отметить, что не меньшую опасность представляет спирально-слоистая структура циклонов, насыщенная тяжелыми спиралевидными полосами дождя. Пересечение таких структур приводит к столкновению с резкоменяющимся скоростным режимом окружающей обстановки. Наличие грозовых явлений еще более усугубляет обстановку полета.

В целом же, пересекая зону циклона, пилот должен знать также о резко неравномерном поле скоростей и плотностей, с которыми ему предстоит встретиться (рис. 4).

Градиент давления в тропическом циклоне достигает 20-40 ГПа на 100 км, иногда 40-60 ГПа на 100 км. Тогда как в самых крупных внетропических циклонах градиенты редко превышают 5-10 ГПа на 100 км.

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Время Г он Конга

Рис. 4. Разрез по скорости для тайфуна Йорк

Выводы

Зоны циклоногенеза являются исключительно сложными кумулятивно-диссипативными системами, обладающими мощными подсистемами конвективных и турбулентных потоков. Хаотизация векторов движения воздушных масс в сочетании с резкими изменениями скоростей и плотностей воздуха делают эти зоны опасными для пилотирования летательных аппаратов. Для обеспечения безопасности полетов в районе этих зон необходимо учитывать весь объем мониторинговых данных, включая спутниковое обеспечение.

SPECIFICITY OF CYCLONIC CONDITIONS FOR AIRFLIGHTS

Ivanov O.P.

The structure of high-power revolving storms surveyed. The attention to local convection structures of the revolving storms, creating sharp bottom-up and digressive cumulative airflows is converted. The special attention is given to thermal structures raising above a dome of high-power revolving storms that is especially dangerous by selection of strategy of overfly of cyclonic structure. Danger to ascent regimes of random dynamics of air connected with heavy local flows near to a thundery front and digressive microsqualls surveyed.

Сведения об авторе

Иванов Олег Петрович, 1940 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1969), кандидат геологоминералогических наук, профессор кафедры Академии гражданской защиты МЧС, автор более 150 научных работ, область научных интересов - синергетический анализ строения, эволюции и взаимодействия сложных систем.