Изчисление на обледеняване. Прогноза заледяване

В региони с трудно климатични условия при изграждането на инженерни конструкции е необходимо да се вземат предвид редица критерии, които са отговорни за надеждността и безопасността на строителните проекти. Тези критерии, по-специално, трябва да вземат предвид атмосферните и климатичните фактори, които могат да повлияят отрицателно на състоянието на конструкциите и процеса на експлоатация на структурите. Един от тези фактори е атмосферното заледяване.

Заледяването е процес на образуване, отлагане и натрупване на лед върху повърхностите на различни предмети. Заледяването може да възникне в резултат на замръзване на преохладени капчици или мокър сняг, както и чрез директна кристализация на водни пари във въздуха. Опасността от това явление за строителни обекти е, че образуваните върху него повърхности натрупвания на лед водят до промяна в конструктивните характеристики на конструкциите (тегло, аеродинамични характеристики, граница на безопасност и др.), Което влияе върху трайността и безопасността на инженерството структури.

Особено внимание трябва да се обърне на въпроса за заледяването при проектирането и изграждането на електропроводи (PTL) и комуникационни линии. Заледяването на електропреносните линии нарушава нормалната им работа и често води до сериозни аварии и бедствия (фиг. 1).

Фиг. 1. Последици от заледяване на електропроводи

Имайте предвид, че проблемът с обледяването на електропроводи е известен отдавна и има различни методи за справяне с натрупването на лед. Такива методи включват покритие със специални съединения против заледяване, топене чрез нагряване с електрически ток, механично обезледяване, обшивка и превантивно нагряване на проводниците. Но не винаги и не всички от тези методи са ефективни, придружени са от високи разходи и загуби на електроенергия.

Да дефинирам и развивам повече ефективни начини борбата изисква познания по физиката на процеса на заледяване. В ранните етапи от развитието на нов обект е необходимо да се проучат и анализират факторите, влияещи на процеса, естеството и интензивността на отлагането на лед, топлопренасянето на повърхността на заледяването и идентифицирането на потенциално слаби и най-податливи на места за заледяване в структурата на обекта. Следователно, способността да се симулира процесът на заледяване при различни условия и да се оценява възможни последици това явление е спешна задача както за Русия, така и за световната общност.

Ролята на експерименталните изследвания и численото моделиране в проблемите с обледяването

Моделирането на заледяването на електропроводи е мащабна задача, при решаването на която при цялостна формулировка е необходимо да се вземат предвид много глобални и локални характеристики на обекта и заобикаляща среда... Тези характеристики включват: дължината на разглежданата зона, релефа на околната зона, профилите на скоростта на въздушния поток, стойността на влажността и температурата в зависимост от разстоянието над земната повърхност, топлопроводимостта на кабелите, температурата на отделните повърхности и т.н.

Създаването на пълен математически модел, способен да опише процесите на заледяване и аеродинамиката на заледено тяло, е важна и изключително сложна инженерна задача. Към днешна дата много от съществуващите математически модели са изградени на базата на опростени методи, при които умишлено се въвеждат определени ограничения или не се вземат предвид някои от влияещите параметри. В повечето случаи такива модели се основават на статистически и експериментални данни (включително SNIP стандарти), получени през лабораторни изследвания и дългосрочни полеви наблюдения.

Създаването и провеждането на многобройни и многовариантни експериментални изследвания на процеса на заледяване изисква значителни финансови и времеви разходи. Освен това в някои случаи просто не е възможно да се получат експериментални данни за поведението на обект, например при екстремни условия. Следователно има тенденция все по-често да се допълва пълномащабен експеримент с числено моделиране.

Анализът на различни климатични явления с помощта на съвременни методи на инженерен анализ стана възможен както с развитието на самите числени методи, така и с бързото развитие на HPC технологии (високопроизводителни изчислителни технологии), осъзнавайки възможността за решаване на нови модели и мащабни проблеми в подходящи времеви рамки. Инженерният анализ, извършен с помощта на суперкомпютърна симулация, осигурява най-точното решение. Численото моделиране позволява решаване на проблема в пълна обстановка, провеждане на виртуални експерименти с различни различни параметри, изследване на влиянието на много фактори върху изследвания процес, симулиране на поведението на обект при екстремни натоварвания и т.н.

Съвременните високопроизводителни изчислителни системи, с компетентното използване на изчислителни инструменти за инженерен анализ, ви позволяват да получите решение в адекватна времева рамка и да проследявате напредъка при решаване на проблем в реално време. Това значително намалява разходите за провеждане на многомерни експерименти, като се вземат предвид многокритериалните формулировки. Естествен експеримент, в този случай, може да се използва само на последните етапи на научноизследователска и развойна дейност, като проверка на числено получено решение и потвърждаване на индивидуални хипотези.

Компютърна симулация на процеса на заледяване

За симулиране на процеса на заледяване се използва двуетапен подход. Първоначално се изчисляват параметрите на потока на носещата фаза (скорост, налягане, температура). След това процесът на заледяване се изчислява директно: моделиране на отлагането на капчици течност върху повърхността, изчисляване на дебелината и формата на ледения слой. С нарастването на дебелината на ледения слой формата и размерът на обтекаемото тяло се променят и параметрите на потока се преизчисляват, като се използва новата геометрия на обтеченото тяло.

Изчисляване на параметрите на потока работна среда възниква поради численото решение на система от нелинейни диференциални уравнения, описващи основните закони за запазване. Такава система включва уравнението за непрекъснатост, уравнението за импулса (Навие-Стокс) и енергията. За да опише турбулентни потоци, пакетът използва усреднени по Рейнолдс уравнения на Навие-Стоукс (RANS) и LES метод с големи вихри. Коефициентът пред дифузионния член в уравнението на импулса се намира като сбор от молекулен и турбулентен вискозитет. За да се изчисли последното, в тази работа се използва еднопараметричният диференциален турбулентен модел на Spallart-Allmaras, който се използва широко при проблеми с външния поток.

Процесът на заледяване се симулира въз основа на два вградени модела. Първият е моделът на топене и втвърдяване. Той не описва изрично развитието на интерфейса течност-лед. Вместо това формулата на енталпията се използва за определяне на частта от течността, в която се образува твърдата фаза (лед). В този случай потокът трябва да бъде описан чрез двуфазен модел на потока.

Вторият модел, който дава възможност да се предвиди образуването на лед, е моделът с тънък филм, който описва процеса на отлагане на капчици по стените на обтекаемо тяло, като по този начин прави възможно получаването на омокряща повърхност. Според този подход разглеждането включва набор от лагранжеви течни частици, които имат маса, температура и скорост. Взаимодействайки със стената, частиците, в зависимост от баланса на топлинните потоци, могат или да увеличат слоя лед, или да го намалят. С други думи, се симулират както заледяване на повърхността, така и топене на ледения слой.

Като пример, илюстриращ възможностите на пакета за моделиране на обледяване на тела, беше разгледан проблемът с въздушния поток около цилиндър със скорост U \u003d 5 m / s и температура T \u003d -15 0C. Диаметърът на цилиндъра е 19,5 мм. За да се раздели изчислителната област на контролни обеми, се използва полиедричен тип клетки с призматичен слой на повърхността на цилиндъра. В този случай за по-добра разделителна способност на събуждането след цилиндъра е използвано локално подобряване на окото. Проблемът беше решен на два етапа. На първия етап, използвайки еднофазен течен модел, бяха изчислени полетата на скоростите, наляганията и температурите за "сух" въздух. Получените резултати са в качествено съгласие с многобройни експериментални и числени работи по еднофазен поток около цилиндър.

На втория етап в потока се инжектират лагранжеви частици, симулиращи наличието на фини водни капчици във въздушния поток, чиито траектории, както и полето на абсолютната скорост на въздуха, са показани на фиг. Разпределението на дебелината на леда върху повърхността на цилиндъра за различни моменти от време е показано на фиг. 3. Максималната дебелина на ледения слой се наблюдава близо до точката на застой на потока.

Фиг. 2. Траектории на капчици и скаларно поле на абсолютна скорост на въздуха

Фиг. 3. Дебелина на ледения слой в различни моменти от време

Времето, прекарано за изчисляване на двумерния проблем ( физическо време t \u003d 3600c), възлиза на 2800 ядрени часа, използвайки 16 изчислителни ядра. Същият брой основни часове е необходим за изчисляване само на t \u003d 600 s в триизмерния случай. Анализирайки времето, прекарано за изчисляване на тестови модели, можем да кажем, че за изчислението в пълна настройка, където изчислителната област вече ще се състои от няколко десетки милиона клетки, където ще бъдат взети по-голям брой частици и сложна геометрия на обекта акаунт, ще е необходимо значително увеличаване на необходимата изчислителна мощност на хардуера. В тази връзка, за да се извърши цялостно моделиране на задачите на триизмерното заледяване на тела, е необходимо да се използват съвременни HPC технологии.

Интензивността на заледяването се влияе от следните фактори:

Температура на въздуха . Най-силното заледяване се появява в температурния диапазон от 0 ° до -10 ° С, вероятността за умерено образуване на заледяване се появява при температури на въздуха от -10 ° С до -20 ° С, слабо - под -20 ° С.

Облачна микроструктура - физическата структура на облака. На тази основа облаците се разделят, както следва:

- капка течност, температура до -12 °;

- смесен, от -12 ° до - 40 °;

- кристална, под - 40 °.

Най-голямата вероятност от заледяване е в облаци капчици и течности. Тези облаци включват ниски суб-инверсионни слоеве и стратокумулусни облаци. Те се отличават с високо съдържание на вода, тъй като валежите от тях, като правило, не падат или са слаби.

В смесените облаци заледяването зависи от съотношението на капчиците към кристалите. Там, където има повече капчици, вероятността от заледяване се увеличава. Такива облаци включват купести облаци. В пластовите облаци се наблюдава заледяване при полет над нулевата изотерма и е особено опасно в температурния диапазон от 0 ° до –10 ° C, където облаците се състоят само от преохладени капки.

В кристалните облаци заледяването обикновено отсъства. Това са предимно облаци от горния слой - цир, цирокумулус, циростратус.

Съдържание на вода в облаците . Съдържанието на вода в облака е количеството вода в грамове, съдържащо се в 1m³ от облака. Колкото по-голямо е водното съдържание на облаците, толкова по-интензивен е заледяването. Най-силен заледяване се наблюдава при купесто-облачни и нимбови облаци със съдържание на вода над 1 g / m³.

Наличие и вид на валежите... В облаците, от които падат валежите, интензивността на заледяването намалява, тъй като водното им съдържание намалява. Най-силно и интензивно заледяване се наблюдава при летене под облаци от нимбострат и алтострат в зоната на преохладен дъжд. Това е типично за преходните сезони, когато температурата на въздуха в близост до земята варира от 0 ° C до -3 ° C (-5 ° C). Най-силното заледяване се случва през смразяващ дъжд... При мокър сняг заледяването е слабо и умерено; при сух сняг заледяване липсва.

Размери на преохладени капки... Колкото по-големи са капчиците, толкова по-праволинейна ще бъде тяхната траектория, тъй като те имат голяма сила на инерция, следователно, колкото повече капчици ще се утаят и замръзнат върху изпъкналата повърхност на крилото за единица време. Малки капчици с малка маса се отнасят от въздушния поток и заедно с него се огъват около крилния профил.

Степента на заледяване зависи от време на престой на самолета в зоната на заледяване. На атмосферните фронтове заледяването е опасно поради продължителността на полета в неговата зона, тъй като облаците и валежите, свързани с фронта, заемат като правило много големи площи.

Профил на крилото на самолета... Колкото по-тънък е профилът на крилото, толкова по-интензивно е заледяването. Това се дължи на факта, че по-тънкият профил на крилото причинява отделянето на идващия инцидентен поток на по-близко разстояние от крилото, отколкото при дебел профил на крилото. Такова място (изместване на мястото) на разделяне на потока прави потоците, протичащи около крилото по-стръмни, инерционните сили на капките са големи, в резултат на което почти всички капчици, големи и малки, се утаяват на тънкия ръб на крилото . Това обяснява и факта, че ледът се появява най-бързо на части като подпори, приемник за скорост, антени и т.н.

Влияние на скоростта върху интензивността на заледяването по два начина. От една страна, скоростта на полета на самолета увеличава интензивността на заледяване, тъй като с увеличаване на скоростта за единица време, повече капчици ще се сблъскат със самолета (до 300 км / ч). От друга страна, скоростта предотвратява заледяване, тъй като с нейното увеличаване настъпва кинетичното нагряване на самолета (повече от 300 км / ч). Нагряването избутва началото на заледяването нагоре, към повече ниски температури... Извън облаците такова отопление е голямо, в облаците - по-малко. Това се обяснява с факта, че капчиците в облаците, когато се сблъскат с повърхността на самолета, частично се изпаряват, като по този начин донякъде намаляват температурата, причинена от кинетичното нагряване.

В зависимост от температурата на въздуха, размера на преохладените капчици, скоростта и режима на полета на самолета се различават следните видове обледеняване: лед, мръсотия, измръзване.

Лед се образува в облаци или валежи при температури от 0 ° до -10 ° C. Той се натрупва бързо (2-5 мм / мин), задържа се здраво и значително увеличава теглото на самолета. От външен вид ледът е прозрачен, тъп, груб, бял, крупи.

Прозрачен лед (гладка) се образува при температури от 0 ° до - 5 ° C. В облаци или валежи, състоящи се само от големи преохладени капчици. Капките, удрящи повърхността на самолета, се разпространяват по профила на крилото, образувайки непрекъснат воден филм, който, замръзвайки, се превръща в слой чист лед... Това е най-интензивният заледяване. Ако обаче дебелината на леда е малка, когато времето за полет в дадена зона на заледяване е кратко, този вид заледяване не е опасно. Когато лети в преохладена дъждовна зона, където образуването на лед се случва много бързо, прозрачният лед придобива набразден вид с неравна повърхност и силно изкривява профила на крилото, нарушавайки аеродинамиката му. Такова заледяване става много опасно.

Матов груб лед образува се в облаци или валежи, състоящ се от смес от снежинки, малки и големи преохладени капки, главно при температури от -5 ° C до -10 ° C. Големите капки при сблъсък с повърхността на самолета се разпространяват и замръзват, малките замръзват, без да се разпространяват. Кристали и снежинки замръзват във водния филм, образувайки матов груб лед. Расте неравномерно, главно върху изпъкналите части на самолета по предните ръбове, рязко изкривявайки обтекаемата форма на самолета. Това е най-много опасни видове заледяване.

Бял натрошен лед се образува в облаци, състоящи се от малки еднородни капчици вода при температури под –10 ° С. Малки капчици при сблъсък с повърхността на самолета бързо замръзват, запазвайки сферичната си форма. В резултат ледът става неравномерен и става бял. При продължителен полет и повишена плътност на леда може да бъде опасно.

Райм - груба кристална плака бялкоето се случва, когато в облаците има малки преохладени капчици и ледени кристали при температури под –10 ° С. Расте бързо, равномерно, не се държи здраво, отърсва се от вибрации, понякога се издухва от идващия въздушен поток. Опасно е само при продължителен престой в условия, благоприятни за отлагане на замръзване.

Измръзване - фино кристално бяло покритие. Образува се извън облаците поради сублимацията на водни пари върху повърхността на самолета. Наблюдава се по време на рязък спад, когато навлиза студен самолет топъл въздух или по време на излитане, когато самолетът пресича инверсионния слой. Изчезва веднага щом температурата на самолета и външния въздух е равна. Той не е опасен по време на полет, но може да предизвика допълнителни по-силни заледявания, ако въздухоплавателното средство, покрито със замръзване, навлезе в преохладени облаци или валежи.

Според формата на отлагането на лед и местоположението му върху повърхността на крилото се различават обледените от профили, набразденият лед и натрупването на лед във формата на клин (фиг. 65).

Фиг. 65... Форми на отлагане на лед върху повърхността на крилото

а) профил; б, в) набраздени; г) клиновидна форма

Метод за прогнозиране на зони на евентуално заледяване на самолети

Главна информация

В съответствие с Плана за изпитване за 2009 г. държавната институция "Хидрометеорологичен център на Русия" проведе оперативни тестове на метода за прогнозиране на зони на възможно заледяване на въздухоплавателни средства (AC) с помощта на моделите PLAV и NCEP през периода от 1 април до 31 декември , 2009. Методът е част от технологии за изчисляване на значимите метеорологични карти на средните нива (SWM) за авиацията. Технологията е разработена в Департамента по аеронавигационна метеорология (OAM) през 2008 г. в рамките на изследователски проект 1.4.1 за внедряване в Лабораторията за прогнозиране на площ. Методът е приложим и за прогнозиране на заледяване на по-ниските нива на атмосферата. Разработването на технологията за изчисляване на прогностичната OY карта на по-ниските нива (Значително време при ниските нива - SWL) е планирано за 2010 г.

Заледяването на самолета може да се наблюдава при необходимото условие за наличие на преохладени капчици облак в необходимото количество. Това условие не е достатъчно. Чувствителност различни видове самолети и хеликоптери до заледяване не е едно и също. Това зависи както от характеристиките на облака, така и от скоростта на полета и аеродинамичните характеристики на самолета. Следователно се предвижда само „възможно“ заледяване в слоевете, където е изпълнено необходимото му състояние. Такава прогноза трябва да се прави в идеалния случай от прогнозата за наличието на облаци, тяхното водно съдържание, температура, както и фазовото състояние на облачните елементи.

В ранните етапи от разработването на изчислителни методи за прогнозиране на заледяване, техните алгоритми разчитат на прогнозиране на температурата и точката на оросяване, синоптично прогнозиране на облачността и статистически данни за микрофизиката на облаците и честотата на заледяване на самолетите. Опитът показва, че подобна прогноза е била неефективна по това време.

Обаче дори по-късно, до момента, дори най-добрите числени модели от световна класа не предоставят надеждни прогнози за наличието на облаци, тяхното водно съдържание и фаза. Следователно прогнозата за заледяване в световните центрове (за изграждане на карти на OB; тук няма да се занимаваме с ултра-краткосрочна прогноза и наукастинг, състоянието на което се характеризира) в момента все още се основава на прогнозата за въздуха температура и влажност, както и, ако е възможно, най-простите характеристики на облачността (слоеста, конвективна). Успехът на такава прогноза обаче се оказва практически значителен, тъй като точността на предварителното изчисляване на температурата и влажността на въздуха значително се е увеличила в сравнение със състоянието, съответстващо на времето на писане.

Представени са основните алгоритми на съвременните методи за прогнозиране на заледяване. За целите на изграждането на SWM и SWL карти, ние избрахме тези от тях, които са приложими към нашите условия, т.е., се основават само на изхода на числови модели. Алгоритмите за изчисляване на „потенциала за обледяване“, които комбинират модел и реални данни в режим на наукастинг, не са приложими в този контекст.

Разработване на прогнозен метод

Следните бяха взети като проби от данни за обледяване на въздухоплавателни средства, използвани за оценка на сравнителния успех на алгоритмите, изброени в, както и по-рано известни (включително добре познатата формула на Godske):
1) данни от системата TAMDAR, инсталирана на въздухоплавателни средства, летящи над територията на Съединените щати в рамките на долните 20 хиляди фута,
2) база данни за въздушно сондаж над територията на СССР през 60-те години. ХХ век, създаден през 2007 г. в OAM под темата 1.1.1.2.

За разлика от системата AMDAR, системата TAMDAR включва сензори за замръзване и точка на оросяване. Данните от TAMDAR са събрани за периода от август до октомври 2005 г., цялата 2006 г. и януари 2007 г. от сайта http: \\\\ amdar.noaa.gov ... От февруари 2007 г. достъпът до данните е затворен за всички потребители, с изключение на правителството на САЩ. Данните бяха събрани от служители на OAM и представени под формата на база данни, подходяща за компютърна обработка чрез ръчно вземане на проби от гореспоменатия сайт на следната информация: време, географски координати, GPS надморска височина, температура и влажност на въздуха, налягане, вятър, заледяване и турбуленция.

Нека се спрем накратко на характеристиките на системата TAMDAR, съвместима с международна система AMDAR и работи на американски самолети за гражданска авиация от декември 2004 г. Системата е разработена в съответствие с изискванията на WMO, както и НАСА и NOAA на САЩ. Сензорите се отчитат в предварително зададени интервали на налягане (10 hPa) в режими на изкачване и спускане и в предварително зададени интервали от време (1 мин) в хоризонтален полетен режим. Системата включва мултифункционален сензор, монтиран на предния ръб на крилото на самолета и микропроцесор, който обработва сигналите и ги предава към център за обработка и разпространение на данни, разположен на земята (система AirDat). Неразделна част е и сателитната GPS система, която работи в реално време и осигурява справяне с пространствени данни.

Имайки предвид по-нататъшния анализ на данните от TAMDAR във връзка с данните за OA и числените прогнози, ние се ограничихме до извличането на данни само в близост до ± 1 час от времето на 00 и 12 UTC. Събраният по този начин масив от данни включва 718417 отделни проби (490 дати), включително 18633 проби с айсинг. Почти всички от тях са свързани с 12 UTC. Данните са групирани по квадратите на мрежата географска ширина и дължина с размер 1,25x1,25 градуса и по височина в близост до стандартните изобарни повърхности от 925, 850, 700 и 500 hPa. Кварталите се смятаха за слоеве съответно 300 - 3000, 3000 - 7000, 7000 - 14000 и 14000 - 21000 лири. Пробата съдържа 86185, 168565, 231393, 232274 броя (случаи) в близост до 500, 700, 850 и 925 hPa, съответно.

За да се анализират данните за обледяване на TAMDAR, е необходимо да се вземе предвид следната характеристика. Сензорът за заледяване открива наличието на лед със слой от най-малко 0,5 мм. От момента на появата на лед до момента на пълното му изчезване (т.е. през целия период на присъствие на лед), сензорите за температура и влажност не работят. Динамиката на утайките (скоростта на нарастване) не е отразена в тези данни. По този начин не само няма данни за интензивността на заледяването, но също така няма данни за температурата и влажността за периода на заледяване, което предопределя необходимостта от анализ на данните на TAMDAR заедно с независими данни за тези стойности. Като такива използвахме OA данни от базата данни на държавната институция "Хидрометеорологичен център на Русия" за температурата на въздуха и относителната влажност. Проба, която включва данни за предиктор на TAMDAR (заледяване) и данни за предиктор за OA (температура и относителна влажност), ще бъде посочена в този доклад като проба TAMDAR-OA.

Всички проби, съдържащи информация за наличие или отсъствие на заледяване, както и за температурата и влажността на въздуха, независимо от наличието на облаци, бяха включени в извадката от данни за въздушно сондиране (SW) над територията на СССР. Тъй като нямаме на разположение данни за повторен анализ за периода 1961 - 1965 г., няма смисъл да се ограничаваме до близост до 00 и 12 UTC или близост до стандартни изобарни повърхности. По този начин данните от въздушното наблюдение бяха използвани директно като измервания на място. Извадката от данните за SZ включва повече от 53 хиляди проби.

Предсказуемите полета на геопотенциала, температурата на въздуха (T) и относителната влажност (RH) с 24-часово време за водене на глобалните модели: полулагранжиански (в точки на мрежата 1,25x1,25 °) и NCEP модел (при решетка точки 1x1 °) за периодите на събиране на данни и сравнение на модели през април, юли и октомври 2008 г. (от 1-во до 10-о число на месеца).

Резултати от методологично и научно значение

1 ... Температурата и влажността на въздуха (относителна влажност или температура на точката на оросяване) са важни предсказатели за зоните на възможно заледяване на въздухоплавателното средство, при условие че тези предиктори се измерват in situ (фиг. 1) Всички тествани алгоритми, включително формулата на Godske, върху извадка от данни за въздушно сондиране показаха практически практически значителен успех при разделяне на случаите на наличие и отсъствие на заледяване. Въпреки това, в случай на данни за обледяване на TAMDAR, допълнени от обективен анализ на температурата и относителната влажност, успехът на разделяне е намален, особено при нива от 500 и 700 hPa (фиг. 2-5), поради факта, че предикторните стойности Са осреднени за пространството (в рамките на квадратните решетки 1,25x1,25 °) и могат да бъдат на 1 km и 1 h разстояние от времето за наблюдение, съответно; освен това точността на обективния анализ на относителната влажност намалява значително с надморската височина.

2 ... Въпреки че заледяването на самолета може да се наблюдава в широк диапазон от отрицателни температури, неговата вероятност е максимална при относително тесни интервали от температура и относителна влажност (съответно -5 ... -10 ° C и\u003e 85%). Извън тези интервали вероятността от заледяване бързо намалява. В същото време зависимостта от относителната влажност изглежда е по-силна: а именно при RH\u003e 70% са наблюдавани 90,6% от всички случаи на заледяване. Тези заключения са получени от извадка от данни за сондиране във въздуха; те намират пълно качествено потвърждение на данните на TAMDAR-OA. Фактът, че резултатите от анализа на две проби от данни, получени по различни методи в много различни географски условия и в различни периоди от време, са в добро съгласие, показва, че и двете използвани проби са представителни за характеризиране на физическите условия на обледяване на въздухоплавателните средства.

3 ... Въз основа на резултатите от извършеното тестване на различни алгоритми за изчисляване на зоните на заледяване и като се вземат предвид наличните данни за зависимостта на интензивността на заледяването от температурата на въздуха, беше избран и препоръчан за практическа употреба най-надеждният алгоритъм, който преди това се доказа добре в международната практика (алгоритъмът, разработен в NCEP). Този алгоритъм се оказа най-успешен (стойностите на критерия за качество на Pircey-Obukhov бяха 0,54 за извадка от данни за въздушно сондиране и 0,42 за проба от данни за TAMDAR-OA). В съответствие с този алгоритъм, прогнозата на зоните на възможен заледяване на въздухоплавателни средства е диагноза на посочените области въз основа на прогнозираните полета на температура, T ° C и относителна влажност, RH%, върху изобарни повърхности от 500, 700, 850, 925 (900) hPa във възлите на решетката на модела ...

Възлите на мрежата, принадлежащи към зоната на възможно заледяване на самолета, са възлите, в които са изпълнени следните условия:

Неравенствата (1) бяха получени в NCEP в рамките на RAP (Програма за прилагане на изследвания) върху голяма извадка от данни за измервания, използващи сензори на въздухоплавателни средства за заледяване, температура и влажност на въздуха и се прилагат на практика за изчисляване на прогнозни карти на специални явления за авиация. Показано е, че честотата на заледяване на въздухоплавателните средства в зоните, в които са изпълнени неравенствата (1), е с порядък по-висока от тази извън тези зони.

Специфичност на оперативното изпитване на метода

Програмата за оперативни тестове на метода за прогнозиране на зони на евентуално заледяване на въздухоплавателни средства с използване на (1) има определени характеристики, които го отличават от стандартните програми за тестове за нови и подобрени методи за прогнозиране. На първо място, алгоритъмът не е оригинална разработка на държавната институция "Хидрометеорологичен център на Русия". Той е разумно тестван и оценен на различни набори от данни, вижте.

Освен това успехът на разделянето на случаите на наличие и отсъствие на обледяване на въздухоплавателни средства не може да бъде обект на оперативни тестове в този случай поради невъзможността за получаване на оперативни данни за обледяване на въздухоплавателни средства. Единични, нередовни доклади за пилоти, пристигащи в MC ATC, не могат да направят представителна извадка от данни в обозримо бъдеще. Обективни данни от типа TAMDAR върху територията на Русия липсват. Невъзможно е да се получат такива данни на територията на Съединените щати, тъй като на сайта, от който получихме данните, формирали пробата TAMDAR-OA, информацията за заледяването вече е затворена за всички потребители, с изключение на правителствените организации на САЩ.

Въпреки това, като се има предвид, че правилото за решение (1) е получено на голям архив от данни и внедрено в практиката на NCEP, и неговият успех е многократно потвърждаван на независими данни (включително в рамките на тема 1.4.1 за проби SZ и TAMDAR-OA ), възможно е да се приеме, че в диагностичен смисъл статистическата връзка между вероятността от заледяване и изпълнението на условия (1) е достатъчно близка и достатъчно надеждно оценена за практическа употреба.

Въпросът за това колко добре зоните за изпълнение на условия (1), идентифицирани според данните на обективния анализ, се възпроизвеждат правилно в числената прогноза.

С други думи, обектът на тестване трябва да бъде числена прогноза на зоните, в които са изпълнени условията (1). Тоест, ако правилото за решение (1) е ефективно в диагностичния план, тогава е необходимо да се оцени успехът на прогнозата на това правило чрез числени модели.

Авторските тестове в рамките на тема 1.4.1 показаха, че моделът SLAV успешно предсказва зоните на възможно заледяване на самолета, определени чрез условия (1), но отстъпва в това отношение на модела NCEP. Тъй като понастоящем оперативните данни на модела NCEP пристигат в държавната институция "Хидрометеорологичен център на Русия" доста рано, може да се предположи, че при условие, че има значително предимство в точността на прогнозата, препоръчително е тези данни да се използват за изчисляване OO карти. Поради това беше счетено за целесъобразно да се оцени успехът на прогнозирането на зоните за изпълнение на условията (1), използвайки както модела SLAV, така и модела NCEP. По принцип спектралният модел T169L31 също трябва да бъде включен в програмата. Въпреки това, сериозните недостатъци при прогнозирането на полето на влагата все още не ни позволяват да разглеждаме този модел като обещаващ за прогнозиране на заледяване.

Метод за оценка на прогнозата

Полетата на резултатите от изчисленията на всяка от четирите посочени изобарни повърхности в дихотомични променливи бяха записани в базата данни: 0 означава неизпълнение на условия (1), 1 - изпълнение. Успоредно с това се изчисляват подобни полета въз основа на данните от обективния анализ. За да се оцени точността на прогнозата, е необходимо да се сравнят резултатите от изчисленията (1) в мрежовите точки за предсказуемите полета и за полетата за обективен анализ на всяка изобарна повърхност.

Резултатите от изчисленията на съотношенията (1) въз основа на данните от обективния анализ бяха използвани като действителни данни за зоните на възможно заледяване на самолета. Както се прилага за модела SLAV, това са резултатите от изчисления (1) в мрежови възли със стъпка от 1,25 °, както се прилага за модела NCEP - при мрежови възли със стъпка от 1 градуса; и в двата случая изчислението се извършва върху изобарни повърхности с 500, 700, 850, 925 hPa.

Прогнозите бяха оценени с помощта на точкуваща технология за дихотомични променливи. Оценките бяха извършени и анализирани в Лабораторията за тестване и оценка на методите за прогнозиране на държавната институция "Хидрометеорологичен център на Русия".

За да се определи успехът на прогнозите за зони с възможен заледяване на самолети, бяха изчислени следните характеристики: точността на прогнозите за присъствието на явлението, отсъствието на явлението, общата точност, предупреждението за наличие и отсъствие на явлението, критерият за качество на Пиърси-Обухов и критерият за надеждност на Хайдке-Багров. Оценките бяха извършени за всяка изобарна повърхност (500, 700, 850, 925 hPa) и поотделно за прогнози, започващи в 00 и 12 UTC.

Резултати от оперативни тестове

Резултатите от тестовете са представени в таблица 1 за три прогнозни области: за северното полукълбо, за територията на Русия и нейната европейска територия (ETR) с прогнозно време за изпълнение от 24 часа.

Таблицата показва, че повторяемостта на заледяването според обективния анализ на двата модела е близка и е максимална на повърхността от 700 hPa и минимална на повърхността на 400 hPa. Когато се изчислява над полукълбото, второто най-често заледяване е повърхността от 500 hPa, последвана от 700 hPa, което очевидно се обяснява с големия принос на дълбоката конвекция в тропиците. Когато се изчисляват за Русия и ETR, второто място по честота на заледяване е повърхността от 850 hPa, а на повърхността от 500 hPa честотата на заледяването вече е два пъти по-ниска. Всички експлоатационни характеристики на прогнозите се оказаха високи. Въпреки че степента на успех на модела PLAV е малко по-ниска от модела NCEP, те също са доста практически значими. На нива, при които повторяемостта на заледяването е висока и където тя представлява най-голямата заплаха за самолета, степента на успех трябва да се счита за много висока. Те значително намаляват на повърхността от 400 hPa, особено в случая на модела SLAV, като остават значителни (критерият на Pearcey за северното полукълбо намалява до 0,493, в Русия - до 0,563). За ETP резултатите от теста на ниво 400 hPa не са дадени поради факта, че имаше много малко случаи на заледяване на това ниво (37 възела от мрежата на модела NCEP за целия период) и резултата от оценката на успеха на прогнозата е статистически незначително. На други нива на атмосферата резултатите, получени за ETR и Русия, са много близки.

констатации

По този начин оперативните тестове показват, че разработеният метод за прогнозиране на зони на възможно заледяване на въздухоплавателни средства, който прилага алгоритъма NCEP, осигурява достатъчно висок успех на прогнозата, включително на изхода на глобалния модел SLAV, който в момента е основният прогнозен модел. С решение на Централната методологична комисия за хидрометеорологични и хелиогеофизични прогнози на Росхидромет от 1 декември 2009 г. методът е препоръчан за внедряване в оперативната практика на Лабораторията за прогнози на площ на държавната институция "Хидрометеорологичен център на Русия" за изграждане на карти на специални явления за авиацията.

Списък на литературата

1. Технически регламент... Том 2. ВМО-№ 49, 2004. Метеорологична служба за международна аеронавигация
2. Изследователски доклад: 1.1.1.2: Разработване на проект на технология за изготвяне на прогнозна карта на значими метеорологични явления за авиационни полети на по-ниски нива (окончателно). Държавен номер Регистрация 01.2.007 06153, М., 2007, 112 с.
3. Изследователски доклад: 1.1.1.7: Подобряване на методите и технологиите за прогнозиране на летищата и дихателните пътища (окончателно). Държавен номер регистрация 01.02.007 06153, М., 2007, 97 с.
4. Баранов А. М., Мазурин Н. И., Солонин С. В., Янковски И. А., 1966: Авиационна метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 281 с.
5. Зверев Ф.С., 1977: Синоптична метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 711 с.
6. Otkin J. A., Greenwald T. J., 2008: Сравнения на WRF симулирани модели и извлечени от MODIS данни в облак. Понеделник Време Rev., v. 136, No. 6, стр. 1957-1970.
7. Menzel W. P., Frei R. A., Zhang H., et al., 2008: MODIS глобално облачно налягане и оценка на количеството: описание на алгоритъма и резултати. Времето и прогнозата, бр. 2, стр. 1175 - 1198.
8. Насоки за прогнозиране на метеорологичните условия за авиацията (изд. Абрамович К.Г., Василиев А.А.), 1985 г., Л., Гидрометеоиздат, 301 с.
9. Bernstein B.C., McDonough F., Politovich M.K., Brown B.G., Ratvasky T.P., Miller D.R .., Wolff C.A., Cunning G., 2005: Текущ потенциал за обледяване: описание на алгоритъма и сравнение с наблюденията на самолета. J. Appl. Метеорол., В. 44, стр. 969-986.
10. Le Bot C., 2004: SIGMA: Система за обледяване географска идентификация в метеорологията за авиацията. 11-та конф. относно авиацията, обсега и космоса, Hyannis, Масачузетс, 4-8 октомври 2004 г., Amer. Метеорол. Soc. (Бостън).
11. Minnis P., Smith WL, Young DF, Nguyen L., Rapp AD, Heck PW, Sun-Mack S., Trepte Q., Chen Y., 2001: Метод в почти реално време за получаване на облачни и радиационни свойства от сателити за проучване на времето и климата. Proc. AMS 11-та конф. Сателитна метеорология и океанография, Медисън, Уисконсин, 15-18 октомври, стр. 477-480.
12. Thompson G., Bruintjes R. T., Brown B. G., Hage F., 1997: Сравнение на алгоритмите за заледяване по време на полет. Част 1: Програма за прогнозиране и оценка на заледяване в реално време по WISP94. Времето и прогнозата, v. 12, стр. 848-889.
13. Иванова АР, 2009: Опит в проверка на числени прогнози за влага и оценка на тяхната пригодност за прогнозиране на зоните на обледяване на самолетите. Метеорология и хидрология, 2009, No 6, с. 33 - 46.
14. Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р., Горлач И.А., 2009: Оценка на механизмите на генериране на вертикални движения в глобални модели и техните начални полета във връзка с числената прогноза за валежите. Метеорология и хидрология, 2009, No 7, с. 14 - 32.

Интензивност на заледяване на въздухоплавателното средство в полет (I, mm / min) се изчислява по скоростта на нарастване на леда по предния ръб на крилото - по дебелината на отлагането на лед за единица време. По интензивност се различава слаб заледяване - I по-малко от 0,5 mm / min; умерен заледяване - I от 0,5 до 1,0 mm / min; силен заледяване - I повече от 1,0 mm / min.

При оценката на риска от заледяване може да се използва концепцията за степента на заледяване. Степента на заледяване е общото натрупване на лед по време на целия престой на самолета в зоната на заледяване.

За теоретична оценка на факторите, влияещи върху интензивността на заледяването, се използва следната формула:

където I е интензивността на заледяването; V е въздушната скорост на самолета; ω е водното съдържание на облака; E е интегралният коефициент на улавяне; β - коефициент на замръзване; ρ е плътността на нарастващия лед, която варира от 0,6 g / cm 3 (бял лед) до 1,0 g / cm 3 (прозрачен лед).

Интензивността на заледяването на самолетите се увеличава с увеличаване на съдържанието на вода в облака. Стойностите на водното съдържание на облаците варират в широки граници - от хилядни до няколко грама на 1 м3 въздух. Когато водното съдържание на облака е 1 g / m 3 или повече, се наблюдава най-силното заледяване.

Коефициентите на улавяне и замразяване са безразмерни количества, които практически са трудни за определяне. Интегралният коефициент на улавяне е съотношението на действително отложената водна маса върху профила на крилото към масата, която би се утаила при липса на кривина на траекториите на водните капчици. Този коефициент зависи от размера на капката, дебелината на профила на крилото и скоростта на въздухоплавателното средство: колкото по-големи са капчиците, толкова по-тънък е профилът на крилото и колкото по-висока е въздушната скорост, толкова по-голям е интегралният коефициент на улавяне. Коефициентът на замръзване е съотношението на масата лед, нараснал на повърхността на самолета, към масата на водата, която се е утаила на една и съща повърхност за същото време.

Предпоставка за заледяване на самолета в полет е отрицателната температура на повърхността. Температурата на околния въздух, при която се наблюдава заледяване на самолетите, варира в широки граници - от 5 до -50 ° C. Вероятността от заледяване се увеличава, когато температурата на въздуха е от -0 до -20 ° С в преохладени облаци и валежи.

С увеличаване на въздушната скорост на самолета интензивността на заледяване се увеличава, както се вижда от формулата. При високи скорости на въздуха обаче се получава кинетично нагряване на самолета, което предотвратява заледяване. Кинетичното нагряване възниква поради забавянето на въздушния поток, което води до компресия на въздуха и повишаване на неговата температура и температурата на повърхността на самолета. Поради влиянието на кинетичното нагряване, обледяването на самолетите се случва най-често при скорости на въздуха под 600 км / ч. Самолетите обикновено изпитват заледяване по време на излитане, изкачване, спускане и приближаване, когато скоростите са ниски.

По време на полети в зони на атмосферни фронтове, обледяване на самолети се наблюдава 2,5 пъти по-често, отколкото по време на полети в хомогенни въздушни маси. Това се дължи на факта, че фронталните облаци по правило са по-мощни вертикално и по-разширени хоризонтално от интрамасовите облаци. Силен заледяване в хомогенни въздушни маси се наблюдава в единични случаи.

Интензивността на заледяване на самолетите при летене в облаци от различни форми е различна.

В купестата и мощна купеста облачност при минусови температури на въздуха почти винаги е възможно силно заледяване на самолети. Тези облаци съдържат големи капчици с диаметър 100 микрона или повече. Съдържанието на вода в облаците се увеличава с височината.

Заледяването е отлагането на лед върху обтекаемите части на самолетите и хеликоптерите, както и върху електроцентралите и външните части на специално оборудване, когато лети в облаци, мъгла или киша. Заледяването се случва, когато във въздуха на височината на полета има преохладени капчици и повърхността на самолета има отрицателна температура.

Следните процеси могат да доведат до заледяване на самолетите: - директно утаяване на лед, сняг или градушка върху повърхността на самолета; - замръзване на капки облак или дъжд при контакт с повърхността на самолета; - сублимация на водни пари върху повърхността на самолета. На практика се използват няколко доста прости и ефективни метода за прогнозиране на заледяването. Основните са следните:

Метод за синоптично прогнозиране. Този метод се основава на материалите, с които разполага синоптикът, за да определи слоевете, в които се наблюдава облачност и отрицателни температури на въздуха.

Слоевете с възможно заледяване се определят от аерологичната диаграма и вие, уважаеми читателю, сте добре запознати с процедурата за обработка на диаграмата. В допълнение, още веднъж може да се каже, че най-опасният заледяване се наблюдава в слоя, където температурата на въздуха варира от 0 до -20 ° C, а при появата на силен или умерен заледяване най-опасен е спадът на температурата от 0 до -12 ° C. Този метод е доста прост, не изисква значително време за извършване на изчисления и дава добри резултати. Непрактично е да се дават други обяснения относно използването му. Годски метод.

Този чешки физик предложи да се определи стойността на Tn.l. от сондажните данни. - температура на насищане над лед по формулата: Tn.l. \u003d -8D \u003d -8 (T - Td), (2) където: D - температурен дефицит на точката на оросяване на всяко ниво. Ако се окаже, че температурата на насищане над леда е по-висока от температурата на околната среда, тогава на това ниво трябва да се очаква заледяване. Прогнозата за обледеняване, използваща този метод, също се дава с помощта на диаграма от въздуха. Ако според сондажните данни се окаже, че кривата на Годске в даден слой лежи вдясно от кривата на стратификацията, тогава в този слой трябва да се предвиди заледяване. Годске препоръчва използването на неговия метод за прогнозиране на обледяване на самолети само до надморска височина от 2000 m.

Като допълнителна информация При прогнозиране на заледяване може да се използва следната установена връзка. Ако в температурния диапазон от 0 до - 12 ° С дефицитът на точката на оросяване е повече от 2 ° С, в температурния диапазон от -8 до - 15 ° С дефицитът на точката на оросяване е повече от 3 ° С, а при температури под - 16 ° С дефицитът на точка на оросяване е по-голям от 4 ° C, тогава с вероятност от над 80% заледяване при такива условия няма да се наблюдава. И, разбира се, важна помощ за синоптика при прогнозирането на заледяване (и не само) е информацията, предавана на земята от летящи екипажи, или екипажи, излитащи и приближаващи се за кацане.