УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ОБЛЕДЕНЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЮГЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
|
АННОТАЦИЯ 3
Введение 4
1. Обледенение воздушных судов: условия формирования и прогноз 7
1.1 Обледенение и его влияние на полёт самолётов и вертолётов 7
1.2 Основные характеристики обледенения 9
1.2.1 Причины и механизм обледенения 9
1.2.2 Виды и формы отлагающегося льда 11
1.2.3 Интенсивность обледенения 12
1.2.4 Особенности обледенения вертолётов 13
1.3 Особенности обледенения воздушного судна в облаках различных форм 15
1.4 Синоптические условия обледенения воздушных судов 16
1.5 Методы прогноза обледенения 19
1.6 Применение спутниковой информации для диагноза и прогноза 25
обледенения
Материалы и методы исследования 31
2.1 Физико-географическое положение аэродрома Томск 32
2.2 Циркуляционные условия над рассматриваемой территорией 33
3. Условия формирования зон обледенения 35
3.1 Повторяемость обледенения над аэродромом Томск 35
3.2 Метеорологические характеристики при обнаружении обледенения 38
3.3 Синоптические условия формирования зон обледенения 42
3.4 Диагноз зон обледенения на основе спутниковой информации 43
Заключение 55
Введение 4
1. Обледенение воздушных судов: условия формирования и прогноз 7
1.1 Обледенение и его влияние на полёт самолётов и вертолётов 7
1.2 Основные характеристики обледенения 9
1.2.1 Причины и механизм обледенения 9
1.2.2 Виды и формы отлагающегося льда 11
1.2.3 Интенсивность обледенения 12
1.2.4 Особенности обледенения вертолётов 13
1.3 Особенности обледенения воздушного судна в облаках различных форм 15
1.4 Синоптические условия обледенения воздушных судов 16
1.5 Методы прогноза обледенения 19
1.6 Применение спутниковой информации для диагноза и прогноза 25
обледенения
Материалы и методы исследования 31
2.1 Физико-географическое положение аэродрома Томск 32
2.2 Циркуляционные условия над рассматриваемой территорией 33
3. Условия формирования зон обледенения 35
3.1 Повторяемость обледенения над аэродромом Томск 35
3.2 Метеорологические характеристики при обнаружении обледенения 38
3.3 Синоптические условия формирования зон обледенения 42
3.4 Диагноз зон обледенения на основе спутниковой информации 43
Заключение 55
В настоящее время на состояние и динамику развития транспортной инфраструктуры Томской области влияют такие факторы, как значительная площадь территории области (314391 км2), заболоченный таежный ландшафт, удаленность от транспортных путей федерального значения (в первую очередь, от Транссиба), высокая концентрация природных сырьевых запасов в слабо освоенных северных районах области [29]. Развитие и совершенствование транспортной системы, ее интегрирование в опорный транспортный каркас России посредством рынка логистических услуг, создание регулярных сообщений внутри области невозможно без ускоренного развития воздушного транспорта, в том числе малой авиации. Это, в первую очередь, предполагает предоставление аэронавигационным службам качественной и детальной информации о метеорологических условиях, в том числе опасных для авиации явлений и их прогноза. В данный момент этот процесс сопровождается совершенствованием измерительной техники, внедрением новых средств дистанционного обнаружения атмосферных явлений, а также развитием компьютерных технологий и численного моделирования, что расширяет возможности все более точного и надежного диагноза и прогноза метеорологических условий для авиации. Глобальный аэронавигационный план ИКАО [40], сформулированный на период до 2028 года, предусматривает в будущем полную автоматизацию обеспечения метеорологической информацией в любой точке, на любой высоте в каждый момент времени. Для этого предполагается усовершенствование сверхкраткосрочного прогнозирования и наукастинга, использование численного прогноза, дистанционных измерений (радаров и спутников), данных частой сети наземных станций, самолетных измерений и передачи метеорологической информации с бортов [32,34, 43].
Отложение льда на поверхности воздушного судна (ВС) во время полета считается одним из наиболее опасных явлений для авиации. При обледенении отмечается уменьшение скорости полета, происходит потеря подъемной силы, и, в некоторых случаях, полного контроля над летательным аппаратом. Все это может привести к авиационным происшествиям, в том числе с человеческими жертвами [3,50]. Ухудшение летных качеств воздушных судов при полете в зоне обледенения зависит от интенсивности обледенения, количества отложившегося на поверхности самолета льда, формы ледяных отложений и структуры льда. Перечисленные факторы, в свою очередь, зависят от водности облака, фазового состояния и размера облачных частиц, температуры воздуха и поверхности самолета, скорости полета ВС. Изучению обледенения всегда уделялось повышенное внимание, как в России, так и за рубежом [31,59, 67], в том числе активно развиваются численные методы для прогноза обледенения в США, в Европе, а также РФ [35, 54, 63, 64].
Климатические и погодные условия юга Западной Сибири, а именно наблюдаемые сочетания температуры и влажности воздуха, облачности и переохлажденных осадков увеличивают вероятность образования обледенения в пограничном слое атмосферы. Вследствие этого, исследование особенностей отложения льда на воздушных суднах, и разработка методов их диагноза и прогноза является актуальной задачей для обеспечения безопасного взлета и посадки на аэродромах Томской области. В рамках решения этой задачи в Томском государственном университете разработан и апробирован алгоритм прогноза обледенения с заблаговременностью до 36 часов на основе данных гидродинамического моделирования [34,35]. Для реализации алгоритма использовалась мезомасштабная метеорологическая модель TSU-NM3 [28]. Кроме того, для территории Томского аэропорта предложен дистанционный метод мониторинга и прогноза обледенения воздушных судов с использованием данных измерений метеорологического температурного профилемера MTP-5PE, универсальной метеостанции Vaisala WXT520 и АМИС-РФ [15] с высоким пространственно-временным разрешением, которое невозможно достигнуть методами радиозондирования.
В работе проведена оценка повторяемости случаев обледенения, метеорологических и синоптических условий их возникновения за период с 2011 по 2019 годы.
Впервые для территории аэродрома Томск использованы данные спутникового зондирования со спектрорадиометра MODIS, а также измерения микроволнового радиометра AMSU-A с полярно-орбитальных спутников Suomi, MetOp A, NOAA19 и NOAA20. На основе, которых получены: пространственная локализация полей облачности с помощью RGB-композита (1,4,3 каналы), температура верхней границы облаков, интегральная облачная влага, фазовое состояние облаков, микрофизика облаков в дневное время. Также вертикальные профили температуры воздуха, температуры точки росы и выделенные зоны возможного обледенения по данным AMSU-A, что может позволить улучшить обнаружение фактических и потенциальных зон обледенения в районе аэропорта Томск (Богашёво), который является международным аэропортом города Томска и относится к аэродромам класса «В». Через район аэродрома проходят воздушные трассы (международные, региональные, внутренние), он относится к зоне ответственности Новосибирского РЦ ЕС ОрВД, который включает в себя следующие субъекты России: Омская, Новосибирская, Томская, Кемеровская область, Алтайский край и Республика Алтай [17].
Апробация результатов. Основные положения работы и полученные результаты исследования представлены на следующих научных конференциях: XIII Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2019), Международная конференция «Ломоносовские чтения на Алтае: фундаментальные проблемы науки и образования», (Барнаул, 2018), Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД), (Санкт-Петербург, 2019). Также отправлены материалы на Всероссийскую научно-практическую конференцию с международным участием «Цифровая география», (Пермь, 2020).
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, сборе и обработке материала, расчетах и интерпретации полученных результатов
Отложение льда на поверхности воздушного судна (ВС) во время полета считается одним из наиболее опасных явлений для авиации. При обледенении отмечается уменьшение скорости полета, происходит потеря подъемной силы, и, в некоторых случаях, полного контроля над летательным аппаратом. Все это может привести к авиационным происшествиям, в том числе с человеческими жертвами [3,50]. Ухудшение летных качеств воздушных судов при полете в зоне обледенения зависит от интенсивности обледенения, количества отложившегося на поверхности самолета льда, формы ледяных отложений и структуры льда. Перечисленные факторы, в свою очередь, зависят от водности облака, фазового состояния и размера облачных частиц, температуры воздуха и поверхности самолета, скорости полета ВС. Изучению обледенения всегда уделялось повышенное внимание, как в России, так и за рубежом [31,59, 67], в том числе активно развиваются численные методы для прогноза обледенения в США, в Европе, а также РФ [35, 54, 63, 64].
Климатические и погодные условия юга Западной Сибири, а именно наблюдаемые сочетания температуры и влажности воздуха, облачности и переохлажденных осадков увеличивают вероятность образования обледенения в пограничном слое атмосферы. Вследствие этого, исследование особенностей отложения льда на воздушных суднах, и разработка методов их диагноза и прогноза является актуальной задачей для обеспечения безопасного взлета и посадки на аэродромах Томской области. В рамках решения этой задачи в Томском государственном университете разработан и апробирован алгоритм прогноза обледенения с заблаговременностью до 36 часов на основе данных гидродинамического моделирования [34,35]. Для реализации алгоритма использовалась мезомасштабная метеорологическая модель TSU-NM3 [28]. Кроме того, для территории Томского аэропорта предложен дистанционный метод мониторинга и прогноза обледенения воздушных судов с использованием данных измерений метеорологического температурного профилемера MTP-5PE, универсальной метеостанции Vaisala WXT520 и АМИС-РФ [15] с высоким пространственно-временным разрешением, которое невозможно достигнуть методами радиозондирования.
В работе проведена оценка повторяемости случаев обледенения, метеорологических и синоптических условий их возникновения за период с 2011 по 2019 годы.
Впервые для территории аэродрома Томск использованы данные спутникового зондирования со спектрорадиометра MODIS, а также измерения микроволнового радиометра AMSU-A с полярно-орбитальных спутников Suomi, MetOp A, NOAA19 и NOAA20. На основе, которых получены: пространственная локализация полей облачности с помощью RGB-композита (1,4,3 каналы), температура верхней границы облаков, интегральная облачная влага, фазовое состояние облаков, микрофизика облаков в дневное время. Также вертикальные профили температуры воздуха, температуры точки росы и выделенные зоны возможного обледенения по данным AMSU-A, что может позволить улучшить обнаружение фактических и потенциальных зон обледенения в районе аэропорта Томск (Богашёво), который является международным аэропортом города Томска и относится к аэродромам класса «В». Через район аэродрома проходят воздушные трассы (международные, региональные, внутренние), он относится к зоне ответственности Новосибирского РЦ ЕС ОрВД, который включает в себя следующие субъекты России: Омская, Новосибирская, Томская, Кемеровская область, Алтайский край и Республика Алтай [17].
Апробация результатов. Основные положения работы и полученные результаты исследования представлены на следующих научных конференциях: XIII Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2019), Международная конференция «Ломоносовские чтения на Алтае: фундаментальные проблемы науки и образования», (Барнаул, 2018), Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД), (Санкт-Петербург, 2019). Также отправлены материалы на Всероссийскую научно-практическую конференцию с международным участием «Цифровая география», (Пермь, 2020).
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, сборе и обработке материала, расчетах и интерпретации полученных результатов
В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. При анализе информации сообщений AIREP, в зоне ответственности Новосибирского РЦ ЕС ОрВД за 2018 год было выявлено 414 случаев с обледенением.
2. Из сообщений AIREP умеренное обледенение наблюдалось в 69 %, слабое - в 23 %, обледенение сильной интенсивности встречалось в 8 % случаев.
3. Согласно данным бортовой погоды (PIREP) с 2011 по 2019 гг. в районе аэродрома Томск было зафиксировано 343 дня и 431 случай с обледенением.
4. Над рассматриваемой территорией из всех случаев с различными видами
обледенения, повторяемость умеренного обледенения составила 53 %, слабого
обледенения - 42 %, и обледенение сильной интенсивности - 5 %.
5. Максимальное число дней с обледенением в районе аэродрома Томск было зафиксировано в 2013 и 2015 году - 47 и 59 дней, соответственно, затем после 2015 года число дней с обледенением постепенно уменьшается и минимальное значение дней наблюдается в 2019 году - 25 дней.
6. Наибольшее количество дней с обледенением наблюдалось в период октябрь - декабрь и составило 177 дней - 52 %, а наименьшее количество дней наблюдалось с июня по сентябрь - 31 день (9 %).
7. Умеренное обледенение наблюдалось во всех месяцах с максимумом в декабре - 50 случаев. Слабое обледенение было зафиксировано во всех месяцах, кроме июля, с максимумом в октябре - 37 случаев. Обледенение сильной интенсивности наблюдалось только в период с октября по май.
8. Наибольшая повторяемость случаев обледенения наблюдалась с толщиной слоя от 0 до 1000 м (57,4 %) и нижней границей обледенения от 0 до 500 м (39,5 %). С высотой повторяемость уменьшается, что связано с распределением температурно-влажностных характеристик по вертикали.
9. Сильное обледенение более чем в половине случаев (77 %) наблюдалось при наличии кучево-дождевой облачности, 5 % случаев - при фронтальной слоисто-дождевой облачности (Ns).
10. Обледенение чаще сопровождалось в районе аэродрома Томск различными видами атмосферных явлений, преимущественно наблюдалось при ливневом снеге (48%) и ливневом дожде (10 %).
11. Наибольшее число случаев с обледенением наблюдалось при высокой влажности со значениями дефицита точки росы у земли до 2 °С и составило 277 случаев (65 %).
12. Из анализа температуры воздуха у подстилающей поверхности выявлено 273 случая с обледенением различной интенсивности при диапазоне от -5 до +5 oC.
13. Наибольшее число случаев было зафиксировано при относительной влажности воздуха у поверхности земли более 80 % (335 случаев), максимум - при относительной влажности 80:90 % (141 случай). Сильное обледенение наиболее часто наблюдалось при влажности 90:95 %.
14. Обзор синоптических процессов, способствующих формированию зон с обледенением, показал, что в среднем за период на фронты окклюзии пришлось около 12 %, на ситуации прохождения холодных фронтов - 16 % и теплых - 22 % всех случаев независимо от интенсивности.
15. Из анализа спутниковых данных в случаях с обледенением выявлено, что температура верхней границы облачности во всех случаях наблюдалась от -24 до -26 °C.
16. Интегральная облачная влага отмечалась в среднем от 80 до 650, и в 17 случаях значения зафиксированы более 1000 г/м2. Максимальное значение интегральной облачной влаги составило 3500 г/м2.
17. Чаще всего в районе аэродрома Томск при обледенении наблюдались оптически плотные капельные облака нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц малых размеров в сочетании с оптически плотными облаками, состоящими из кристаллов льда больших размеров (50 % случаев) и оптически плотными капельными облаками нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц больших размеров (24 % случаев).
18. В рассмотренных случаях с обледенением чаще всего наблюдалась смешанная фаза облаков - 44 % случаев.
1. При анализе информации сообщений AIREP, в зоне ответственности Новосибирского РЦ ЕС ОрВД за 2018 год было выявлено 414 случаев с обледенением.
2. Из сообщений AIREP умеренное обледенение наблюдалось в 69 %, слабое - в 23 %, обледенение сильной интенсивности встречалось в 8 % случаев.
3. Согласно данным бортовой погоды (PIREP) с 2011 по 2019 гг. в районе аэродрома Томск было зафиксировано 343 дня и 431 случай с обледенением.
4. Над рассматриваемой территорией из всех случаев с различными видами
обледенения, повторяемость умеренного обледенения составила 53 %, слабого
обледенения - 42 %, и обледенение сильной интенсивности - 5 %.
5. Максимальное число дней с обледенением в районе аэродрома Томск было зафиксировано в 2013 и 2015 году - 47 и 59 дней, соответственно, затем после 2015 года число дней с обледенением постепенно уменьшается и минимальное значение дней наблюдается в 2019 году - 25 дней.
6. Наибольшее количество дней с обледенением наблюдалось в период октябрь - декабрь и составило 177 дней - 52 %, а наименьшее количество дней наблюдалось с июня по сентябрь - 31 день (9 %).
7. Умеренное обледенение наблюдалось во всех месяцах с максимумом в декабре - 50 случаев. Слабое обледенение было зафиксировано во всех месяцах, кроме июля, с максимумом в октябре - 37 случаев. Обледенение сильной интенсивности наблюдалось только в период с октября по май.
8. Наибольшая повторяемость случаев обледенения наблюдалась с толщиной слоя от 0 до 1000 м (57,4 %) и нижней границей обледенения от 0 до 500 м (39,5 %). С высотой повторяемость уменьшается, что связано с распределением температурно-влажностных характеристик по вертикали.
9. Сильное обледенение более чем в половине случаев (77 %) наблюдалось при наличии кучево-дождевой облачности, 5 % случаев - при фронтальной слоисто-дождевой облачности (Ns).
10. Обледенение чаще сопровождалось в районе аэродрома Томск различными видами атмосферных явлений, преимущественно наблюдалось при ливневом снеге (48%) и ливневом дожде (10 %).
11. Наибольшее число случаев с обледенением наблюдалось при высокой влажности со значениями дефицита точки росы у земли до 2 °С и составило 277 случаев (65 %).
12. Из анализа температуры воздуха у подстилающей поверхности выявлено 273 случая с обледенением различной интенсивности при диапазоне от -5 до +5 oC.
13. Наибольшее число случаев было зафиксировано при относительной влажности воздуха у поверхности земли более 80 % (335 случаев), максимум - при относительной влажности 80:90 % (141 случай). Сильное обледенение наиболее часто наблюдалось при влажности 90:95 %.
14. Обзор синоптических процессов, способствующих формированию зон с обледенением, показал, что в среднем за период на фронты окклюзии пришлось около 12 %, на ситуации прохождения холодных фронтов - 16 % и теплых - 22 % всех случаев независимо от интенсивности.
15. Из анализа спутниковых данных в случаях с обледенением выявлено, что температура верхней границы облачности во всех случаях наблюдалась от -24 до -26 °C.
16. Интегральная облачная влага отмечалась в среднем от 80 до 650, и в 17 случаях значения зафиксированы более 1000 г/м2. Максимальное значение интегральной облачной влаги составило 3500 г/м2.
17. Чаще всего в районе аэродрома Томск при обледенении наблюдались оптически плотные капельные облака нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц малых размеров в сочетании с оптически плотными облаками, состоящими из кристаллов льда больших размеров (50 % случаев) и оптически плотными капельными облаками нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц больших размеров (24 % случаев).
18. В рассмотренных случаях с обледенением чаще всего наблюдалась смешанная фаза облаков - 44 % случаев.
