XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Основным потребителем информации о высоте нижней границы облачности (ВНГО) является авиация. Низкая облачность – основной фактор, который усложняет взлет и посадку как малой, так и большой авиации. Существует такое понятие как минимум погоды, который используется в авиации. Минимум погоды – это предельные погодные условия, при которых разрешается выполнять полеты. Одной из составляющей минимума погоды как раз является ВНГО. Полеты при низкой облачности относятся к полетам в сложных метеорологических условиях, поэтому информация о ВНГО и ее прогноз является важной составной частью метеорологического обеспечения авиационной деятельности.

Стоит учесть, что ВНГО одна из наиболее сложных в определении метеорологических характеристик. Все потому, что до сих пор нет четкого определения данному термину, как и эталона, от чего возникают сложности в ее измерении, а вместе с ними и ошибки.

В данной работе рассматриваются причины ошибок при измерении ВНГО на примере прибора ДВО-2.

Актуальность настоящей работы обусловлена тем, что ВНГО – очень важная характеристика для безопасного полета воздушного судна, при этом нет абсолютно точного прибора для её измерения, поэтому необходимо учитывать причины, которые могут искажать информацию о ВНГО.

Методы измерения ВНГО

Для измерения ВНГО используется светолокационный метод, который основан на измерении времени прохождения световым импульсом расстояния от излучателя до нижней границы облачности и отраженным импульсом света от НГО до приемника.

В настоящее время используются два прибора: измеритель высоты облаков ДВО-2 и облакомер CL31. Их основное отличие заключается в том, что в ДВО-2 в качестве излучателя используется импульсная лампа, а в CL31 лазерный излучатель.

Для того, чтобы можно было оценивать точность измерения ВНГО, на основе ДВО-2 в Институте радарной метеорологии в Воейково был создан третий прибор ДВО-4, который от ДВО-2 отличается тем, что высоковольтная часть измерительного блока расположена в передатчике, измерительная плата и источники питания для нее и фотоусилителя расположены в приемнике.

Измерения производились одновременно тремя приборами, расположенными на небольшом расстояниии друг от друга. Среднее значение между тремя измерениями считается эталонным (действительным).

В данной статье рассматривается принцип действия ДВО-2, который основан на измерении времени прохождения светового импульса. Источник световых импульсов посылает световой импульс, который отражается от нижней границы облаков и возвращается на приемник. Полученный временной интервал преобразуются в значение высоты нижней границы облаков (ВНГО). Значения ВНГО выводятся на индикатор блока измерительного и передаются по линиям связи на дистанционный пульт или автоматическую метеостанцию. Измерители ДВО-2 состоят из источника световых импульсов, приемника, блока измерительного, пульта дистанционного.

Конструктивно источник световых импульсов и приемник выполнены в корпусах одного типа. Верхние крышки источника и приемника имеют наклонные стекла, которые защищают от скопления осадков и пыли. На защитные стекла с внутренней стороны нанесено токопроводящее покрытие, обеспечивающее обогрев стекла. Источник световых импульсов состоит из импульсной лампы, системы поджига, отражателя (параболическое зеркало), юстировочно-фокусировочного механизма, блока питания, терморегулятора обогрева стекла, электронного коммутатора, модуля защиты и фильтрации. Приемник состоит из фотоусилителя, диафрагма которого расположена в фокальной плоскости параболического отражателя. Фотоусилитель служит в качестве преобразователя световых импульсов в электрические сигналы. Конструкция остальных узлов приемника аналогична конструкции передатчика. Блок измерительный состоит из двух самостоятельных блоков: блока питания и платы измерительной, на которой расположены цифровые идентификаторы и кнопки переключения режимов работы датчика. Пульт дистанционной размещен в металлическом корпусе и состоит из двух печатных плат: платы клавиатуры и индикации и платы управления. Пульт дистанционный служит для дистанционного управления блоком измерительным, приема информации о ВНГО, отображения результатов, передачи данных на персональный компьютер (ПК) через последовательный канал связи RS-232. Датчики высоты облаков ДВО-2 могут работать автономно и в составе автоматизированных метеорологических станций. Датчики высоты облаков ДВО-2 работают круглосуточно, имеют последовательный интерфейс RS-232С. Дальность подключения датчиков высоты облаков ДВО-2 составляет 8 км. Информация о измеренных данных отображается на экране пульта дистанционного и блока измерительного, измеренные данные в памяти датчика ДВО-2 не хранятся, данные могут архивироваться только на внешнем накопителе (ПК). Для защиты измерителей ДВО-2 от несанкционированного вмешательства источник световых импульсов, приемник, блок измерительный и пульт дистанционный пломбируются [1].

Результаты и анализ

В данной работе использовались данные измерений ВНГО прибором ДВО-2 в Санкт-Петербурге за 2010-2011 годы.

В результате были получены следующие значения относительной погрешности от измерений ВНГО

1. От высоты

Таблица 1. Погрешности в зависимости от ВНГО

Диапазон высот НГО, метры	Погрешность, %
601-1000	±11,34
201-600	±9,54
61-200	±8,4
<61	±8,04
>1001	±4,95

Стоит уточнить, что значимой в авиации считается облачность с нижней границей до 1500 метров или ниже верхнего предела минимальной высоты в секторе, в зависимости от того, какая величина больше [2].

По данным таблицы 1 видно, что наименьшая погрешность у облачности с высотой более 1001 метра, всего 4,95%, при переводе в метры погрешность составит ±49,5 метров, на каждые 100 м ошибка составит ±5 м, что немного. Примерно одинаковая погрешность в 8% у облачности с высотой нижней границы до 200 метров. Если перевести значение погрешности в метры, то получается, что погрешность у облачности с высотой в 100 метров составит ±8 метров, что немало. В диапазоне ВНГО 601-1000 метров наблюдается самая большая погрешность, на каждые 100 метров ошибка составит ±11,3 метра, что довольно много.

2. От времени года

Таблица 2. Погрешности измерения ВНГО в зависимости от времени года

Время года	Относительная погрешность,%
Зима	±10,47
Лето	±9,28
Весна	±6,06
Осень	±7,95

Причиной ошибок также могут быть осадки. Все дело в том, что световой импульс, который проходит путь от излучателя, может встретить на пути осадки и отразиться от них, не дойдя до нижней границы облака. В таком случае за ВНГО будет взята высота «столкновения» светового импульса с осадками.

Наибольшее значение погрешности в таблице 2 наблюдается в зимний период. Данную ошибку можно связать с выпадением кристаллической изморози.

Кристаллическая изморозь - это слой ледяных пластинчатых или призматических кристаллов, отлагающихся на тонких предметах. Чаще всего кристаллическая изморозь появляется при наличии тумана или слабого ветра, или штиля при температуре -11/-25°С и ниже. Выше этой температуры кристаллическая изморозь наблюдается редко. Образуется она в результате сублимации водяного пара при испарении капель тумана. Удельный вес кристаллической изморози 0,01 - 0,05 г/см. Кристаллическая изморозь, оседая на тонких предметах, имеет пушистый вид и состоит из кристаллов, легко осыпающихся при встряхивании. Нарастает она медленно, приблизительно 1мм в час; величина ее отложений не превышает в среднем 1см и только в редких случаях может достигать нескольких сантиметров. При повышении температуры и понижении относительной влажности воздуха кристаллическая изморозь осыпается. Разрушение ее также происходит под действием ветра [3].

По графику, представляющему собой временной ряд результатов измерения ВНГО 21 февраля прибором ДВО2 (рис. 1) видно, что с 21:36 начинается сильная «гребенка», т.е. большая погрешность данных. По данным с rp5 с 21ч до 00ч по местному времени температура воздуха составляла от -11,5°С до -22,8°С, штиль, вероятность образования кристаллической изморози велика.

Рисунок 1. Измерение ВНГО за 21.02.2011

Ошибка чуть меньше наблюдается в летний период. Её можно связать с выпадением жидких осадков. Для примера был рассмотрен график за 26.08.2010 (рис. 2).

Рисунок 2. Измерение ВНГО за 26.08.2010.

Весь день шли жидкие осадки: с 00ч до 3ч и с 15ч до 21ч шёл ливень, в остальное время дождь. Весь день наблюдается «гребенка», причем видно, что в сроки с более интенсивными осадками ошибка измерения меньше.

Пример измерений ВНГО при твердых осадках представлен на рис. 3

Рисунок 3. Измерение ВНГО за 23.12.2010

Весь день шел слабый снег, за исключением промежутка времени с 12 до 15 часов, в этот период шел снег со средней интенсивностью. Такая большая гребенка обусловлена тем, что ДВО поочередно фиксирует за ВНГО саму высоту и слой с осадками. Весь день наблюдается гребенка – ошибка данных.

При сравнении графиков с жидкими и твердыми осадками можно заметить, что на графике с жидкими осадками «гладких» участков больше, чем при твердых.

Заключение

Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что факторами, влияющими на точность измерении высоты нижней границы облачности, являются следующие.

1. Высота облака: наибольшая ошибка наблюдается при диапазоне ВНГО 601-1000 метров, наименьшая при облачности с высотой нижней границы от 1 км

2. Вид осадков: при твердых осадках ошибка в измерении больше, чем при жидких осадках

3. Интенсивность осадков: с увеличением интенсивности осадков ошибка в измерении высоты нижней границы облачности уменьшается

4. При выпадении кристаллической изморози ДВО-2 фиксирует слой выпадающей изморози за ВНГО

Список литературы

1. Приложение к свидетельству № 64248 об утверждении типа средств измерений: ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, 2016 – 5 с.

2. Шакина, Н. П. Прогнозирование метеорологических условий для авиации: Научно-методическое пособие / Н. П. Шакина, А. Р. Иванова; Гидрометеорологический научно-исследовательский центр РФ. – Москва: Триада ЛТД, 2016. – 312 с. – ISBN 978-5-9908623-2-6.

3. Гуральник И.И, Дубинский Г.П., Ларин В.В, Мамикова С.В. Метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 1982 – 440 с.

Код для цитирования: Скопировать