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

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения зон возможного обледенения воздушных судов в режиме реального времени.
В настоящее время в оперативной практике метеослужб применяется способ определения пространственных зон вероятного обледенения воздушных судов на основе измерений фактических значений вертикальных профилей температуры и влажности по данным метода радиозондирования [1, 2]. Для этого один или два раза в сутки производится запуск радиозонда. Для расчетов прогноза возможного 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 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 атмосфере 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 T(h) измеряется с помощью метеорологического температурного профилемера, а величины Н, R или T измеряются с помощью измерителя нижней границы облаков и метеостанции.
Пространственные зоны возможного обледенения при этом способе определяются путем использования, например, метода NCEP, описанного в работе [3], по формулам:
H
где R(h) - относительная влажность на высоте h.
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
H
При построении модельного профиля влажности также предполагается, что на нижней границе облачности выполняется условие R(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%, которые в реальной атмосфере выполняются не всегда.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения зон возможного обледенения на основе наземных измерений профиля температуры воздуха Т(h) и общего влагосодержания атмосферного столба (количества водяного пара, приходящегося на единицу площади подстилающей поверхности) [6]. Профиль Т(h) измеряется с помощью метеорологического температурного профилемера, а общее влагосодержание Q определяется с помощью радиометра водяного пара.
Зонами возможного обледенения считаются области, в которых
Недостатком данного способа является значительная часть ложноположительных прогнозов наличия обледенения при высоких показаниях влагосодержания. Непосредственно сам водяной пар не является причиной обледенения, оно происходит при наличии в воздухе воды в переохлажденном состоянии. Высокое влагосодержание воздуха означает отсутствие в нем жидкой воды в значительных количествах и низкую вероятность обледенения.
Другим недостатком указанного способа является сдвиг диапазона температур в сторону отрицательных значений. Нижний порог температуры -16°С дает большое количество ложноположительных прогнозов обледенения, так как при низких температурах вероятность накопления льда на поверхности воздушного судна уже невелика. Это связано с тем, что при низких температурах время существования в воздухе переохлажденных капель воды в жидком виде мало.
Обледенение может происходить и при слабоположительных температурах, в результате адиабатического расширения воздуха, обтекающего поверхность летательного аппарата. При этом происходит охлаждение потока до температуры ниже нуля, из-за чего при наличии достаточного количества влаги становится возможным отложение льда на обтекаемой поверхности. Такой процесс может происходить при температурах воздуха до +2°С. При дальнейшем повышении температуры такое обледенение становится невозможным. Заявленные пороги температуры проиллюстрированы на фиг. 3.
Задачей, на решение которой направленно данное техническое решение, является снижение количества ложных прогнозов обледенения в методике, использующей фактические данные об общем влагосодержании атмосферы. Технический результат - повышение оправдываемости прогнозов.
Задача решается следующим образом. Как и в прототипе, метеорологический температурный профилемер и радиометр водяного пара устанавливают в заданном районе наблюдения, и с их помощью регистрируют фактические значения вертикального профиля температуры и общего влагосодержания атмосферы. На основе полученных данных осуществляется определение зон возможного обледенения воздушных судов.
Повышение оправдываемости прогноза достигается тем, что для определения метеорологических условий возникновения обледенения воздушного судна, в точке наблюдения регистрируют несколько (n) фактических значений общего влагосодержания атмосферного столба при помощи радиометра водяного пара и фактическое значение вертикального профиля температуры при помощи наземного температурного профилемера. Затем производят математическую обработку полученных данных путем построения гистограммы по n измеренным значениям общего влагосодержания.
2
2
В отличие от прототипа, математическую обработку проводят путем усреднения n показателей влагосодержания атмосферы и зонами возможного обледенения считают области, в которых выполняются условия: 4 кг/м≤Q≤10 кг/м и -13°С≤T(h)≤+2°С,
2
Нижний порог температуры воздуха повышается до -14°С, а верхний порог температуры ограничивается значением +2°С. Кроме того, вводится еще один пороговый критерий возможности наличия обледенения: Q≤10 кг/м.
2
Если величина общего влагосодержания превышает 10 кг/м, это говорит о незначительном содержании переохлажденной воды и низкой вероятности обледенения.
Таким образом, зонами возможного обледенения считаются области, в которых
где Q - усредненное общее влагосодержание атмосферы,
T(h) - температура воздуха на высоте h.
Изобретение поясняется рисунками:
Фиг. 1 - Высотно-временное распределение температуры в период 00.00 UTC 25 декабря 2018 г. по 24.00 UTC 27 декабря 2018 г.
Фиг.2 - Общее влагосодержание в период с 00.00 UTC 25 декабря 2018 г. по 24.00 UTC 27 декабря 2018 г.
Фиг.3 - Гистограмма температур воздуха в зонах, в которых зарегистрировано фактическое обледенение воздушных судов, на момент регистрации обледенения по данным бортовой погоды за период с ноября 2018 г. по ноябрь 2019 г.
Фиг. 4 - Прогноз пространственных зон возможного обледенения воздушных судов в период с 00.00 UTC 25 декабря 2018 г. по 24.00 UTC 27 декабря 2018 г. в сравнении с данными бортовой погоды о фактическом обледенении в тот же период (а - прогноз по предлагаемому методу, б - прогноз по прототипу).
Способ осуществляется следующим образом.
Измерения профилей температуры и общего влагосодержания атмосферы осуществлялись в 17 км от Международного аэропорта Пулково г. Санкт-Петербурга на площадке ИПА РАН в период с 25 декабря 2018 г. по 24.00 UTC 27 декабря 2018 г. Измерения профилей температуры проводились в нижнем километровом слое с помощью наземного метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ [7]. Общее влагосодержание атмосферы определялось радиометрической системой РМС-1 [8]. Оба прибора были установлены рядом. Периодичность измерений профиля температуры и общего влагосодержания составляла один раз в десять минут и один раз в минуту, соответственно. Затем производилось усреднение общего влагосодержания за последние 10 минут измерений, т.е. по 10 отсчетам. Таким образом, временное разрешение предлагаемого способа составило десять минут.
На фиг. 1 показаны вариации температуры воздуха, полученные с помощью наземного метеорологического температурного профилемера МТР-5РЕ. На фиг. 1 видно, что температура воздуха в некоторые промежутки времени соответствовала критериям прогноза обледенения (6).
2
На фиг. 2 представлены результаты измерений общего влагосодержания, полученные с помощью наземной системы РМС-1. Как показано, общее влагосодержание в рассмотренный период времени превышает нижний порог прогнозирования обледенения. При этом общее влагосодержание также превышает предлагаемый верхний порог прогнозирования Q≤10 кг/м в периоды, когда метеослужбой аэропорта Пулково фиксировалось обледенение воздушных судов.
На фиг. 3 представлена гистограмма температур воздуха в зонах, в которых зарегистрировано фактическое обледенение воздушных судов в нижнем километровом слое атмосферы, по данным метеослужбы аэропорта Пулково за период с ноября 2018 г. по ноябрь 2019 г. По гистограмме видно, что все случаи обледенения зарегистрированы при температуре воздуха выше -13°С, причем наблюдались случаи обледенения при температуре до +2°С. На основе собранной статистики определен температурный диапазон прогноза возможности обледенения -13°С≤T(h)≤+2°С.
На фиг. 4 изображены результаты расчета прогноза расположения пространственных зон возможного обледенения воздушных судов за период с 00.00 UTC 25 декабря 2018 г. по 24.00 UTC 27 декабря 2018 г. Серым цветом изображены зоны возможного обледенения, белым цветом - зоны, в которых обледенение воздушного судна маловероятно. Темно-серым цветом показаны пространственные зоны фактического обледенения, построенные по данным метеослужбы аэропорта Пулково на основе информации о бортовой погоде. На фиг. 4а изображены результаты расчета прогноза по предлагаемому способу (формулы (6) и (7)); на фиг.4б - по прототипу (формулы (4) и (5)). Видно, что в этот день согласно прогнозу по предлагаемому способу обледенение воздушного судна возможно в период с 00.00 по 12.40 UTC 25 декабря и с 07.10 UTC 26 декабря по 13.30 UTC 27 декабря, что хорошо согласуется с фактическими данными бортовой погоды. Расчет прогноза по прототипу (фиг.4б) дает ложноположительные прогнозы наличия обледенения в периоды с 12.50 UTC 25 декабря по 07.00 UTC 26 декабря и с 13.40 UTC 26 декабря по 24.00 UTC 27 декабря.
Проведенное сравнение показывает, что предлагаемый способ дистанционного определения обледенения воздушных судов на основе радиометрии реального времени улучшает достоверность прогнозов вероятности обледенения воздушных судов.
Способ может быть использован в первую очередь на аэродромах, расположенных в зонах умеренного климата в условиях повышенной влажности.
Литература
1. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометоиздат, 1977.
2. Баранов A.M., Солонин С.В., Авиационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
3. 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.
4. Первушин P.B. Обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов в условиях вероятного обледенения // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. №2 (16), 2013, с. 9-12.
5. Пат. №2580375. Россия, МПК, G01W 1/10, B64D 15/20. ИМКЭС СО РАН. №2014154535/28; Заявл. 30.12.14; Опубл. 10.04.16, Бюл. №20.
6. Пат. 2664972. Россия, МПК, G01W 1/10, B64D 15/20. ИМКЭС СО РАН. №2017133362; Заявл. 25.09.17; Опубл. 24.08.18, Бюл. №24.
7. Кадыгров, Е.Н., Ганьшин Е.В., Миллер Е.А., Точилкина Т.А. Наземные микроволновые температурные профилемеры: потенциал и реальность // Оптика атмосферы и океана. 2015. т. 28, №6, с. 521-528.
8. Ильин Г.Н., Троицкий А.В. Определение тропосферной задержки радиосигнала радиометрическим методом // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2017, т. 60, №4, с. 326-335.