Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Условия обледенения воздушных судов 10
1.1. Основные понятия физики обледенения воздушных судов 10
1.2. Этапы исследования обледенения воздушных судов 16
1.3. Особенности пространственного распределения высоты нижней границы облаков нижнего яруса на территории Западной Сибири 19
1.4. Территориальные особенности обледенения воздушных судов на примере Международных аэропортов Новосибирска и Томска 24
1.4.1. Сезонная повторяемость обледенения воздушных судов за 2012– 2015 гг 24
1.4.2. Средняя повторяемость обледенения воздушных судов в зависимости от высоты за 2012–2015 гг. 26
1.5. Анализ метеорологических условий обледенения воздушных судов в районе аэродрома города Томска 32
Основные результаты главы 1 37
Глава 2. Общая характеристика методики определения зон возможного обледенения воздушных судов 40
2.1. Способы прогноза обледенения 40
2.2. Описание методики определения зон возможного обледенения воздушных судов в реальном времени 43
2.3. Общие данные об экспериментах 45
2.3.1. Используемое оборудование 45
2.3.2. Места проведения экспериментальных исследований 49
Основные результаты главы 2 52
Глава 3. Экспериментальная проверка методики определения вертикальных зон возможного обледенения воздушных судов в реальном времени 53
3.1. Результаты расчета вертикального распределения зон возможного обледенения воздушных судов для Международного аэропорта Томска 53
3.2. Результаты расчета вертикального распределения зон возможного обледенения воздушных судов для Международного аэропорта Новосибирска 61
3.3. Результаты расчета вертикального распределения зон возможного обледенения воздушных судов в районе аэродрома Международного аэропорта Томска 70
3.4. Оценка успешности методики прогнозирования обледенения воздушных судов 80
3.4.1. Оправдываемость прогноза обледенения в прогностических подразделениях Западно-Сибирского филиала ФГБУ «Авиаметтелеком Росгидромета» 80
3.4.2. Точность методики дистанционного определения зон возможного обледенения воздушных судов 82
Основные результаты главы 3 87
Заключение 89
Список литературы 91
Приложения 104
- Основные понятия физики обледенения воздушных судов
- Анализ метеорологических условий обледенения воздушных судов в районе аэродрома города Томска
- Результаты расчета вертикального распределения зон возможного обледенения воздушных судов для Международного аэропорта Томска
- Точность методики дистанционного определения зон возможного обледенения воздушных судов
Основные понятия физики обледенения воздушных судов
Условия, при которых возникает обледенение, формируются в нижних слоях атмосферы – в тропосфере. Здесь воздух может содержать воду в трех фазах и различные примеси (мельчайшую пыль, продукты горения, соли и т.д.). Обледенение ВС в большинстве случаев происходит при полете в среде, содержащей капли воды при отрицательной температуре окружающего воздуха, в основном, в облаках или в условиях переохлажденного дождя [7–10].
Необходимыми условиями обледенения ВС в полете являются наличие достаточного количества влаги в воздухе (облака, осадки), отрицательные температуры воздуха и поверхности ВС [11, 12]. Согласно [13, 14] обледенением принято считать лед, образующийся на обтекаемых частях самолетов и вертолетов, а также на силовых установках и внешних деталях специального оборудования при полете в облаках, тумане или мокром снеге.
Возникновение обледенения возможно вследствие двух основных причин. Во-первых, обледенение может происходить за счет сублимации водяного пара в атмосфере. Процесс непосредственного перехода водяного пара, содержащегося в воздухе, в твёрдую фазу воды (лёд, снег) происходит при быстром снижении охлажденного самолета, попадающего при этом в более теплый и влажный воздух. Данное явление может наблюдаться при отрицательной температуре воздуха, когда упругость водяного пара (e) превышает упругость насыщения (Eл) по отношению к поверхности льда:
Как правило, при этом ВС покрывается слоем инея, который исчезает при выравнивании температур. Обледенение инееобразного вида может происходить и при ясном небе [15–18]. Второй причиной возникновения обледенения является замерзание переохлажденных водяных капель, которые, сталкиваясь с поверхностью летящего самолета, замерзают и образуют ледяные отложения на различных его деталях [15–18]. Обледенение данного типа происходит только при полете в среде, содержащей переохлажденные капли (в облаках или в условиях переохлажденного дождя) [19, 20]. Наибольшую опасность для ВС представляет именно обледенение в условиях замерзания переохлажденных водяных капель, а сублимационное обледенение является незначительным [19, 21].
Процесс обледенения самолета описывается уравнением движения облачной водяной капли, где необходимо найти результирующую силу, под действием которой происходит ее движение: здесь используется масса капли (т), радиус-вектор, определяющий положение капли в потоке s(x,y). Далее учитывается только сила вязкости, которая подчиняется закону Стокса, согласно которому действующая сила: где к - коэффициент вязкости, г - радиус капли, V - векторная разность скоростей воздуха и капли. Будем считать форму капли сферической и введем безразмерные величины. За единицу длины будем считать характерный размер крыла С, за единицу скорости - скорость невозмущенного потока W, за единицу времени - отношение единицы длины к единице скорости (C/W). Получим уравнения для расчета коэффициента оседания капель. V- , (1.5) где =х/С; yj=y/C; Р=(2г2рк)/9кС. Из уравнений видно, что движение капель зависит от их радиуса, от толщины крыла, вязкости воздуха и скорости полета. Вблизи обтекаемого профиля на каплю действует две силы: сила инерции и сила сопротивления воздушного потока [22].
При рассмотрении процесса обледенения ВС обязателен учет водности облаков и температурных условий намерзания льда [22]. Данные условия учитываются в определении интенсивности обледенения, которая характеризуется массой льда, отлагающегося на единице площади обледеневающей поверхности ВС в единицу времени. Однако на практике интенсивность обледенения удобнее характеризовать толщиной льда, отлагающегося на единице площади обледеневающей поверхности ВС в единицу времени [11]. Размерность интенсивности обледенения - мм/мин. Интенсивность обледенения главным образом зависит от таких факторов, как водность облака, агрегатное состояние капель, размер водяных капель, скорость воздушного потока, профиль крыла [11].
Значение водности облаков меняется в широких пределах от тысячных долей до нескольких граммов в 1 кубометре воздуха. С увеличением водности облаков интенсивность обледенения в них возрастает. Наиболее сильное обледенение отмечается при водности, превышающей 1 г/м3. Однако такая закономерность наблюдается до тех пор, пока средняя температура обледеневающей поверхности ниже 0 С, и когда вся осевшая вода замерзает [22]. Для всех типов облачности водность имеет различные значения. Для облаков внутримассовой облачности (слоисто-кучевая, слоистая, высоко-кучевая) водность возрастает от их нижней границы вверх, достигая максимума несколько ниже верхней границы. Большие значения водности отмечаются лишь в верхней части мощных облаков. Самые малые значения водности встречаются в очень тонких слоях облака, вблизи его границ. Во фронтальных облаках (высокослоистых, слоисто-дождевых) осаждение, т.е. перенос воды сверху вниз, приводит к уменьшению водности в верхних их частях и к возрастанию ее в нижних. Поэтому большие значения водности равновероятны в значительной толще облака [21].
Поскольку обледенение происходит при попадании ВС в среду, содержащую переохлажденные водяные капли, то их агрегатное состояние имеет существенное значение. Ледяные кристаллы и град обычно не оседают на поверхности ВС, так как соскальзывают с нее и уносятся воздушным потоком [22]. Размер водяных капель также играет большую роль в процессе обледенения. Крупные капли, попадающие на крыло ВС, оседают на его поверхности и отложение льда может происходить в больших масштабах. Поток воздуха, содержащий мелкие капли, приводит к отложению льда на узком участке крыла, или отложения льда вообще не наблюдается. В действительности воздух содержит капли разных размеров [19].
Большую роль в оседании капель на поверхности крыла играет скорость воздушного потока. Чем больше скорость ВС, тем большее количество капель будет оседать на профиле крыла в единицу времени. С увеличением скорости происходит отложение на крыле капель разных размеров [19]. Толщина профиля крыла является одним из составляющих в образовании льда на поверхности ВС. Профиль меньшей толщины обледеневает интенсивнее, чем толстый профиль [19]. Важным фактором возникновения обледенения ВС, является не только состояние атмосферы, но и особенности конструкции судна, его скорость и продолжительность полета [8]. Также необходимо учитывать кинетический нагрев поверхности самолета. Для его расчета используется формула (1.7), где учтен полет в облаках или в осадках, т.к. здесь кинетический нагрев меньше, чем при полете с той же скоростью в сухом воздухе. Тшн = 3,87х10-5х2ха, (1.7) где V — скорость полета (км/ч); Ya — сухоадиабатический градиент в случае полета вне облаков и влажноадиабатический градиент температуры при полете в облаках.
У различных участков поверхности крыла кинетический нагрев неодинаков. Наибольший нагрев происходит в критической точке, т.е. у передней кромки, к задней части крыла нагрев уменьшается.
Отложение льда на ВС происходит, как правило, в облаке при отрицательной температуре, оно вызывается столкновением ВС с переохлажденными облачными каплями и в итоге их замерзанием. В настоящее время в гражданской авиации эксплуатируются самолеты с турбовинтовыми и турбовентиляторными двигателями (например, А320, ATR-72 и др.), но также в некоторых случаях могут использоваться и самолеты с поршневыми двигателями (АТ-400, АН-2). Поршневые самолеты сильно подвержены обледенению, особенно выступающие и направленные навстречу потоку детали, такие как остекление кабины пилота, плоскости и винт, капоты моторов, стабилизатор, элероны, радиоантенны, приемник воздушного давления. Как правило, решающее значение имеет отсутствие противообледенительных систем (ПОС) [21, 23]. У турбовинтовых самолетов к критическим поверхностям можно отнести переднюю кромку крыла, стабилизатор, руль высоты, лопасти винта, входной направляющий аппарат двигателя, а также хвостовое оперение, фюзеляж, гондолы. Все современные ВС оснащены ПОС, что повышает безопасность авиаперевозок.
Влияние, оказываемое отложением льда на ВС, существенно, и проявляется оно в ухудшении устойчивости и управляемости ВС. Обледенению обычно подвержены такие поверхности ВС, как передние кромки крыла и оперения, входные кромки воздухозаборников двигателей, входной направляющий аппарат компрессора двигателя, лопасти и обтекатели воздушных винтов турбовинтовых или винто-вентиляторных двигателей, остекление кабины экипажа, лопасти несущих и рулевых винтов вертолетов, датчики пилотажно-навигационных приборов, выходящие в поток, обтекатели радиолокационных и радиосвязных антенн.
Анализ метеорологических условий обледенения воздушных судов в районе аэродрома города Томска
Распределение характеристик обледенения по интервалам метеорологических параметров главным образом зависит от типа самолета и скорости его полета [22]. В работе анализируются только данные бортовой погоды (субъективные отчеты пилотов об обледенении). При анализе данных не учитывался тип ВС, а скорость полета принималась как способствующая нарастанию льда, т.к. все ВС, обслуживаемые Томским аэропортом, имеют дозвуковую скорость. Были рассмотрены все сообщения пилотов об обледенении в пределах нижнего километрового слоя атмосферы в период с сентября 2012 г. по июль 2013 г.
Проводилась оценка таких метеорологических параметров, как температура воздуха (полученная с помощью МТР-5) и относительная влажность (рассчитанная с помощью линейной аппроксимации по формуле 2.13) на момент начала обледенения. Моментом начала обледенения будем считать время получения соответствующего сообщения от экипажа с учетом диапазона высот, где было зафиксировано данное явление.
Согласно федеральным авиационным правилам [105] прогноз обледенения ВС в районе аэродрома составляется в период с октября по апрель, в летний период года обледенение возможно только на высотах, как правило, выше 1 км, а также в кучево-дождевой облачности, в которую ВС запрещено заходить. Поэтому в анализе не учитывался период с мая по сентябрь. Температура воздуха на момент начала обледенения ВС в период с октября 2012 г. по апрель 2013 г. в высотном слое от земли до 1 км изменялась в пределах от 0,5 С до -20,1 С. Наиболее характерный (82,6 % от общего числа случаев) диапазон температур воздуха на момент начала обледенения (рис. 1.7) составляет -2 -10 С, что согласуется с выводами, полученными в [106].
С понижением температуры воздуха ниже -10 С вероятность возникновения обледенения ВС уменьшается. Для исследуемого периода по аэродрому г. Томска при температурах от -10 до -22 С обледенение фиксировалось только в 10,4 %. Минимальные температуры, при которых наиболее вероятно обледенение ВС в нижнем километровом слое, находятся в пределе от -18 до -20 С (рис. 1.7).
Обледенение, фиксируемое в районе аэродрома г. Томска, по данным АМИС-РФ, наблюдалось в кучево-дождевой (Cb) облачности, которая состоит из твердых частиц и жидких частиц разного размера с большой водностью, а при данных температурах вся жидкая фаза находится в переохлажденном состоянии, и в слоисто-кучевой (Sc) облачности, которые в холодный период года состоят из переохлажденных капель, где также присутствуют капли разных размеров. Обледенение при таких температурах возникает при замерзании мелких капель, и, как правило, на поверхности самолета образуется белый пористый лед или изморозь [21].
Из рис. 1.7 видно, что обледенение было зафиксировано также и при положительных температурах в 3 случаях, что составляет 0,7 %. Данный процесс с физической точки зрения возможен только в случаях, когда температура воздуха выше точки замерзания, а самолет только что приземлился после снижения с большой высоты или дозаправился очень холодным топливом, и его крыло имеет температуру ниже 0 С вследствие того, что топливо в крыльевых баках имеет отрицательную температуру. Этот эффект переохлаждения («топливное обледенение») может вызвать образование льда на поверхностях крыльев [107]. Серьезной проблемой для поршневых ВС может быть «карбюраторное обледенение».
При температуре окружающего воздуха от -7 до 21 C, наличии сплошной облачности и повышенной влажности более 80 %, когда двигатель ВС работает на малых оборотах и при снижении, горючая смесь может конденсироваться и замерзать непосредственно в каналах карбюратора [108, 109]. Обледенение ВС также возможно при посадке, когда ВС, имея отрицательную температуру, попадет во влажную и теплую воздушную массу, происходит конденсация и замерзание воды из воздуха. Такое обледенение не имеет существенного влияния на характеристики ВС. При объяснении наличия обледенения ВС на высотах от земли до 1000 м при положительных температурах следует учитывать, что информация об обледенении является необъективной (неточной). Она основывается на показаниях датчиков обледенения, установленных на ВС, или на визуальных наблюдениях экипажа, где фиксируется момент начала обледенения и момент освобождения ВС от льда.
Таким образом, данные бортовой погоды представляют собой показания о начале обледенения и его сохранении на этапах посадки или взлета. Фиксируемое обледенение ВС при положительных температурах может быть следствием начавшегося обледенения в холодной воздушной массе (отрицательные температуры) и его сохранении уже при положительных температурах.
Распределение значений относительной влажности (RH) на момент начала обледенения за рассмотренный период в высотном слое от земли до 1000 м представлено на рис. 1.8. Зависимость от относительной влажности представляется более сильной, а именно, при RH = 100 % зафиксировано 88,1 % всех случаев обледенения. С понижением значений относительной влажности количество случаев обледенения уменьшается. Из рис. 1.8 видно, что обледенение ВС, как правило, начинается в облаках, т.к. обычно считается, что в облаке относительная влажность равна 100 % [21]. Из [110, 111] обледенение наиболее вероятно при относительной влажности более 63 %, для аэродрома г. Томска, момент начала обледенения фиксировался при относительной влажности 65 % и более.
Согласно [105], прогноз обледенения ВС принято составлять в период с октября по апрель, т.к. в этот период складываются наиболее благоприятные условия для обледенения ВС. Но возможны и случаи, когда обледенение наблюдается в теплый период года, что главным образом связанно с поступлением холодного воздуха, и такие случаи остаются не предусмотренными. Рассмотрим в качестве примера ситуацию, которая наблюдалась 13 мая 2013 г. на территории Томской области, когда в районе аэродрома Томск отмечалось обледенение с интенсивностью от слабой до сильной в облаках и в осадках. Вторжение холодного арктического воздуха привело к резкому понижению температуры во всем столбе воздуха над аэродромом Томска, что способствовало повышению влажности и началу конденсации – образованию слоистой (разорванно-дождевая – Frnb) и конвективной (Cb) облачности. Суточный ход температуры, температуры точки росы и высоты нижней границы облачности (ВНГО) с зонами обледенения за 13 мая 2013 г. представлен на рис. 1.9. В течение дня ВНГО опускалась от 90 м (Frnb) и поднималась до 760 м (Cb). Обледенение отмечалось в нижней части кучево-дождевого облака, также в разорванно-дождевых облаках и в осадках. Сильное обледенение было зафиксировано только в Cb. Как правило, наличие облаков вертикального развития, а именно Cb, является потенциальным факторам обледенения. В течение дня отмечались осадки в виде мокрого ливневого снега. Температура воздуха находилась около нуля градусов. Дефицит температуры точки росы изменялся от 0,6 до 3,6 С, что подтверждает наличие большого количества влаги, сосредоточенного в приземном слое.
Суточные вариации температуры с высотой представлены на рис. 1.9б. Температура воздуха в пределах нижнего километрового слоя атмосферы в течение суток понижается с высотой, что соответствует нормальному распределению. В дневное время на высотах в пределах 30 м температура имеет положительные значения, но не поднимается выше 1 С. Минимальные температуры зафиксированы на высоте 1000 м и составляют -10,5 С.
Результаты расчета вертикального распределения зон возможного обледенения воздушных судов для Международного аэропорта Томска
В данной работе при расчете вертикального распределения зон с обледенением ВС учитывается только метеорологическая составляющая, приводящая к возникновению данного опасного явления для авиации. Представлены расчеты вертикального распределения зон с обледенением ВС для 10–11 октября 2012 г. и 17 марта 2013 г. при условии рассмотрения синоптической и метеорологической обстановки. Все остальные профили зон с возможным обледенением представлены в Приложении А. В приложении Б представлены синоптические карты, используемые для анализа.
10–11 октября 2012 г.
С точки зрения синоптического положения погоду 10–11 октября 2012 г. на территории аэропорта г. Томска обуславливал гребень антициклона (рис. Б.1), центр которого находился на полуострове Таймыр. На фоне повышенного давления располагались две системы фронтов, которые были выражены в облачности и в осадках в виде ливневого снега. Юг Томской области, в том числе Международный аэропорт Томска находился на границе двух воздушных масс: с юго-запада двигалась теплая и сухая воздушная масса с территории Казахстана, а на северо-востоке отступала холодная и влажная. Из рис. Б.7. видно, что фронтальные разделы находятся в параллельных потоках, ведущее направление ветра имело северо-западные составляющие, что говорит о стационарном положении фронтов. Такое расположение привело к адиабатическому охлаждению медленно поднимающегося теплого воздуха вдоль вторгающегося клином холодного воздуха, что способствует образованию в утренние часы мощной облачной системы, которая в первую очередь включает в себя слоистую облачность нижнего яруса (слоисто-кучевая облачность), а также облака вертикального развития (кучево-дождевая облачность). Расположение холодного фронта в гребне антициклона, привело к его размыванию в течение дня, что способствовало повышению высоты нижней границы облачности (ВНГО) от 800 до 6900 м (рис. 3.1). В вечерне и ночное время (12:00–21:00 UTC) в связи с охлаждением приземного слоя воздуха от подстилающей поверхности образовался инверсионный слой (рис. 3.2), с которым, как правило, в холодное полугодие в умеренных широтах связанна слоистая облачность. В рассмотренном случае отмечалась слоисто-кучевая облачность (Sc) с ВНГО 1200 м (рис. 3.1). Наличие явно выраженного суточного хода приземных значений метеорологических величин (рис. 3.3), а именно температуры воздуха свидетельствует о полноценном притоке солнечной радиации. Прогрев воздуха в дневные часы способствовал увеличению дефицита точки росы, но при этом относительная влажность не опускалась ниже 60 % (рис. 3.3).
Рассмотренный случай является подтверждением наличия обледенения в облаках, особенно нижнего яруса и вертикального развития. Процессы в атмосфере, способствующие образованию этой облачности, обуславливают появление обледенения. Синоптическое положение аэродрома г. Томска и соответственно ход метеорологических параметров подтверждает наличие обледенения в утренние часы по местному времени или 10 октября 2012 г. в периоды времени с 22:37 до 24:00 UTC в облаках до высоты 1 км, и 11 октября 2012 г. с 00:00 до 00:30 UTC так же в облаках до высоты 1 км и его отсутствие в дневное время, когда не отмечалась облачность нижнего яруса. Информации об обледенении в ночные часы не поступало.
Детальное распределение зон с возможным обледенением по высоте можно получить, используя методику определения зон возможного обледенения ВС в реальном времени (параграф 2.2). На рис. 3.4 и 3.5 показаны результаты расчета вертикальных зон возможного обледенения ВС, полученные в аэропорту г. Томска с использованием модели Шульца–Политович и по формуле Годске для 10–11 октября 2012 г.
На рис. 3.4 и 3.5 серый, темно-серый и светло-серый цвет соответствует результатам расчета вертикальных зон возможного обледенения ВС, а белый цвет – зонам, где метеорологические условия не способствуют обледенению. Темно-серый цвет соответствует пространственным зонам возможного обледенения ВС в облаках, серый – в осадках, светло-серый относится к пространственным зонам возможного обледенения при отсутствии облачности и осадков. Черными штриховыми линиями обозначены пространственные зоны фактического обледенения, информация о которых поступала с бортов самолетов в течение рассмотренного периода времени.
Расчет вертикального распределения зон с возможным обледенением по модели Шульца–Политович (рис. 3.4) показывает, что обледенение возможно в облаках, осадках, и в отсутствии осадков и облачности. В промежуток времени с 1:30 до 12:30 UTC обледенение не прогнозируется от поверхности земли до 700 м.
В модели Шульца–Политович учитывается температура и относительная влажность воздуха (2.10–2.11). Распределение зон возможного обледенения по высоте будет соответствовать отрицательным температурам и относительной влажности выше 63 %. В случае 10–11 октября 2012 г. зона с возможным обледенением приподнята относительно нулевой изотермы, что говорит о недостаточно насыщенном воздухе, находящемся в непосредственной близости к нулевой изотерме. Наличие зон с возможным обледенением при отсутствии облачности и осадков обусловлено выполнением обязательных условий расчета, обледенение в таких зонах может наблюдаться только в случае сохранения начавшегося обледенения в облачности. Рис. 3.4. Результаты расчета вертикальных зон возможного обледенения ВС для Международного аэропорта Томска на 10–11 октября 2012 г. по модели Шульца–Политович
На основе результата, полученного по формуле Годске (рис. 3.5), обледенение возможно в облаках на высотах от 750 м и в осадках от 620 м в период времени с 22:00 UTC 10 октября до 8:00 UTC 11 октября 2012 г. В некоторых случаях, из расчета по формуле Годске (2.9), обледенение может наблюдаться в отсутствии осадков и облачности. В отличие от расчетов по модели Шульца–Политович (2.10–2.11) здесь учитывается насыщение водяного пара по отношению ко льду, которое достигается в перенасыщенной атмосфере при отрицательных температурах воздуха.
Точность методики дистанционного определения зон возможного обледенения воздушных судов
Точность прогнозов опасных явлений погоды в первую очередь зависит от методов, положенных в основу прогнозирования данного явления погоды. Для оценки успешности предложенной методики дистанционного определения зон возможного обледенения ВС в нижнем километровом слое были рассчитаны основные критерии оценки оправдываемости прогноза, такие как общая оправдываемость прогноза обледенения, оправдываемость прогноза наличия явления (обледенения), отсутствия явления, предупрежденность наличия явления (обледенения) и отсутствия явления, критерий надежности Н.А. Багрова, Критерий Пирси–Обухова, которые широко используются в научных исследованиях и в оперативной практике.
Расчет критериев оценки оправдываемости прогноза обледенения ВС проводился на основе сравнения зон фактического обледенения по данным бортовой погоды и прогностических зон обледенения, рассчитанных с помощью методики дистанционного определения вертикальных зон возможного обледенения ВС в нижнем километровом слое. Рассчитывалась площадь прогноза с учетом времени и высоты и аналогичным способом площадь фактического обледенения. Составлялась таблица оправдываемости (табл. 3.1) и с учетом полученных значений вычислялись характеристики успешности прогноза (3.1– 3.8).
Подробно рассмотрим прогноз обледенения ВС с заблаговременностью 30 мин по модели Шульца–Политович за 17 марта 2013 г. в Международном аэропорту Томска и разберем оценки качества прогноза на примере предупрежденности наличия явления (обледенения) [133]. Результаты прогноза обледенения ВС представлены на рис. 3.31, на котором показаны вертикальные зоны возможного обледенения ВС. Прогноз обледенения получен для равномерной сетки по высоте и по времени с использованием технологии интерполирования измерений профиля температуры с помощью метеорологического температурного профилемера MTP-5PE.
Прогноз обледенения (П) считается успешным в конкретной ячейке, если он совпал с фактической погодой (Ф), и прогноз не является успешным в случае ошибочного прогноза (П ) при наличии явления (Ф) или отсутствии. Количественной оценкой прогноза обледенения ВС, выполненного с использованием дистанционной методики [118] по формуле Годске [8] или модели Шульца–Политович [114], является величина предупрежденности случаев с явлением Пя, выраженная в процентах с учетом рис. 3.31б по формуле: Пя = ПФх100% (3 9) где пПФ и пФ - соответственно число ячеек, в которых оправдался прогноз обледенения ВС, и фактическое число ячеек, в которых наблюдалось явление.
Предупрежденность случаев с явлением представляет собой наиболее объективный параметр оценки качества прогноза и отражает успешность прогноза обледенения ВС. Определение (3.9) в полной мере совпадает с методикой, принятой АМСГ Томск и ЗАМЦ Новосибирск для оценки успешности прогноза обледенения ВС с интервалом времени 12 ч. Схематично прогноз обледенения ВС представлен на рис. 3.32, где заблаговременность прогноза t = 12 ч.
Из рис. 3.31а видно, что 17 марта 2013 г. в Международном аэропорту Томска было зафиксировано три периода обледенения ВС. В первые два периода количество успешно спрогнозированных опасных метеорологических явлений совпадает с количеством наблюдавшихся случаев обледенения ВС. Третий период характеризуется тем, что обледенение наблюдалось в области от поверхности земли до высоты 1000 м, а прогнозировалось явление до высот 30–60 м в зависимости от времени. На рис. 3.31а эллипсом показана данная область, ячейки сетки которой схематически представлены на рис. 3.31б. Видно, что в ячейках, близких к поверхности земли спрогнозировать обледенение ВС правильно не удалось, т.е. реализовалась ситуация П,Ф; а выше наблюдается успешный прогноз: П,Ф [134].
С учетом размера подсеточной ячейки прогноза на рис. 3.31б As = AzAt, где Az = zm+1-zm - шаг по высоте, At = tk+lk - шаг по времени, соответствующие вертикальному и временному разрешению измеряемого профиля температуры, формула (3.9) преобразуется следующим образом: здесь SПФ - площадь ячеек, в которых оправдался прогноз обледенения ВС, и Ф -площадь ячеек, в которых наблюдалось явление.
Из формулы (3.10) следует, что для определения величины предупрежденности достаточно рассчитать площади ячеек, в которых успешно спрогнозировано опасное метеорологическое явление и площади ячеек с наблюдавшимися случаями обледенения ВС. Аналогичным способом были рассчитаны все характеристики успешности прогноза обледенения ВС.
Проверка качества прогноза обледенения ВС проводилась для аэропорта г. Томска, где был проанализирован один год (с октября 2012 г. по сентябрь 2013 г.). Учитывался прогноз для периода регламента работы аэропорта, т.к. вне регламента проверка успешности прогноза является не возможной из-за отсутствия данных бортовой погоды. В теплый период года прогноз обледенения во всех авиационных метеорологических подразделениях не составляется [105], поэтому месяцы с мая по сентябрь также не учитывались. Выбор временных промежутков связан с проведением эксперимента. Результаты оценки качества прогноза обледенения ВС представлены в таблице 3.3. Значения критериев успешности прогнозов указывают на удовлетворительную степень верификации предложенной методики. В осенне-зимний период общая оправдываемость по формуле Го дске и модели Шульца-Политович не превышает значений в 51,4 %. Для весенне-зимнего периода значения общей оправдываемости повышаются до 62,4 % по формуле Годске и 54,3 % по модели Шульца-Политович. Общая оправдываемость за весь рассмотренный период выше при использовании формулы Годске (57,6 %), чем при модели Шульца–Политович (53,1 %).
Оценка успешности прогноза на основе оправдываемости является простой и удобной, но недостаточно надежной и точной, т.к. она дается только на основании оправдавшихся прогнозов, а неоправдавшиеся в оценке не участвуют. Его стоит рассматривать лишь как приближенный. Успешность прогнозов опасных явлений (штормовых предупреждений) в большей мере отражает предупрежденность. Из табл. 3.3 видно, что предупрежденность наличия явления, рассчитанная по формуле Годске и модели Шульца–Политович, превышает 80 %, что свидетельствует о большом количестве спрогнозированного и фактически наблюдавшегося обледенения. Наиболее низкие значения были получены при расчете предупрежденности факта отсутствия явления, что связано с завышением числа случаев неоправдавшихся прогнозов наличия явления, когда явление прогнозировалось, но не наблюдалось.
Применяемая в предложенной методике [118] формула Годске показывает результат лучший, чем модель Шульца–Политович, которая на основе полученных значений критериев успешности прогнозирует обледенение в большинстве рассмотренных дней.
Оценка качества предложенного дистанционной методики [118] по результатам расчета критерия надежности по Н.А. Багрову и критерия точности по А.М. Пирси–Обухову показало, что использование в оперативных условиях прогнозирования формулы Годске более предпочтительно, а прогнозы полученные на основе расчетов по модели Шульца–Политович близки к случайному распределению.