Способ дистанционного определения условий обледенения воздушных судов на основе радиометрии реального времени

Способ дистанционного определения условий обледенения воздушных судов на основе радиометрии реального времени

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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_H,0 или приземного значения температуры точки росы T_d,0. Профиль Т(h) измеряется с помощью метеорологического температурного профилемера, а величины Н, R_H,0 или Т_d,0 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)

R_H(h)≥63%, (2)

где R_H(h) - профиль относительной влажности.

Главный недостаток известного способа заключается в том, что профиль влажности R_H(h) восстанавливается по модели

где R_H,0=R_H(0) - значение относительной влажности на поверхности земли.

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(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

Q≥4кг/м², (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).

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/м².

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/м², 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.

Способ дистанционного определения условий обледенения воздушных судов, заключающийся в определении метеорологических условий возникновения обледенения воздушного судна, по которому в заданном районе наблюдения регистрируют фактические значения вертикального профиля температуры при помощи наземного температурного профилемера, после чего осуществляют математическую обработку полученных данных с привлечением данных об общем влагосодержании атмосферы, отличающийся тем, что вначале регистрируют несколько (n) фактических значений общего влагосодержания, затем регистрируют фактическое значение вертикального профиля температуры, при этом регистрацию фактических значений общего влагосодержания производят с помощью наземного радиометра водяного пара, который устанавливают рядом с температурным профилемером, а математическую обработку полученных данных осуществляют путем построения гистограммы по n измеренным значениям общего влагосодержания; и если значение общего влагосодержания, которое соответствует максимальному значению гистограммы, удовлетворяет неравенству Q≥4 кг/м², то зонами возможного обледенения считают области, где выполняется неравенство -16°С≤Т(h)≥0°С, где Q - значение общего влагосодержания, которое соответствует максимальному значению гистограммы; T(h) - фактическое значение профиля температуры в текущий момент времени на высоте h.