Расчет обледенения. Прогноз обледенения

В регионах со сложными климатическими условиями при строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать ряд критериев, отвечающих за надежность и безопасность строительных объектов. Эти критерии, в частности, должны учитывать атмосферные и климатические факторы, которые способны негативно влиять на состояние конструкций и процесс эксплуатации сооружений. Одним из таких факторов является атмосферное обледенение.

Обледенение — процесс образования, отложения и нарастания льда на поверхностях различных объектов. Обледенение может возникать в результате намерзания переохлажденных капель или мокрого снега, а также путем непосредственной кристаллизации содержащегося в воздухе водяного пара. Опасность данного явления для строительных объектов заключается в том, что образовавшиеся на его поверхностях ледяные наросты приводят к изменению заложенных при проектировании характеристик конструкций (вес, аэродинамические характеристики, запас прочности и пр.), что влияет на долговечность и безопасность инженерных сооружений.

Особое внимание вопросу обледенения необходимо уделять при проектировании и строительстве линий электропередач (ЛЭП) и линий коммуникаций. Обледенение проводов ЛЭП нарушает их нормальную эксплуатацию, и зачастую приводят к серьезным авариям и катастрофам (рис.1).

Рис.1. Последствия обледенения ЛЭП

Отметим, что проблемы обледенения ЛЭП известны давно и существуют разнообразные методы борьбы с ледяными наростами. К таким методам относятся покрытие специальными антиобледенительными составами, плавление за счет нагрева электрическим током, механическое удаление наледи, зачехление, профилактический подогрев проводов. Но, не всегда и не все эти методы бывают эффективны, сопровождаются большими затратами, потерями электроэнергии.

Для определения и разработки более эффективных способов борьбы необходимо знание физики процесса обледенения. На ранних стадиях разработки нового объекта необходимо проводить изучение и анализ влияющих на процесс факторов, характера и интенсивности отложения льда, теплообмена обледеневающей поверхности, определение потенциально слабых и наиболее подверженных обледенению мест в конструкции объекта. Поэтому умение моделировать процесс обледенения при различных условиях и оценивать возможные последствия данного явления является актуальной задачей, как для России, так для мирового сообщества.

Роль экспериментальных исследований и численного моделирования в задачах обледенения

Моделирование обледенения ЛЭП - это масштабная задача, при решении которой в полной постановке необходимо учесть множество глобальных и локальных характеристик объекта и окружающей среды. К таким характеристикам относят: протяженность рассматриваемого участка, рельеф окружающей местности, профили скорости воздушного потока, значение влажности и температуры в зависимости от расстояния над поверхностью земли, теплопроводность кабелей, температуры отдельных поверхностей и т.д.

Создание полной математической модели, способной описать процессы обледенения и аэродинамики обледененного тела является важной и чрезвычайно сложной инженерной задачей. На сегодняшний день, многие из существующих математических моделей построены на основе упрощенных методик, где заведомо вносятся определенные ограничения или не учитывается часть влияющих параметров. Основой подобных моделей в большинстве случаев являются статистические и экспериментальные данные (в том числе и стандарты СНИП), полученные в ходе лабораторных исследований и длительных натурных наблюдений.

Постановка и проведение многочисленных и многовариантных экспериментальных исследований процесса обледенения, требует существенных финансовых и временных затрат. Кроме того, в ряде случаев получить экспериментальные данные о поведении объекта, например в экстремальных условиях, просто не возможно. Поэтому все чаще прослеживается тенденция дополнения натурного эксперимента численным моделированием.

Анализ различных климатических явлений с помощью современных методов инженерного анализа стал возможен как с развитием самих численных методов, так и с бурным развитием HPC — технологий (технологии высокопроизводительных вычислений High Performance Computing), реализующих возможность решения новых моделей и масштабных задач в адекватные временные сроки. Инженерный анализ, проводимый с помощью суперкомпьютерного моделирования, обеспечивает получение наиболее точного решения. Численное моделирование позволяет решать задачу в полной постановке, проводить виртуальные эксперименты с варьированием различных параметров, исследовать влияние множества факторов на исследуемый процесс, моделировать поведение объекта при экстремальных нагрузках и т.д.

Современные высокопроизводительные вычислительные комплексы при грамотном применении расчетных инструментов инженерного анализа позволяют получать решение в адекватные временные сроки и в реальном времени отслеживать ход решения задачи. Тем самым значительно снижаются затраты на проведение многовариантных экспериментов с учетом многокритериальных постановок. Натурный эксперимент, в данном случае, можно использовать только на финальных стадиях исследований и разработок, в качестве верификации численно получаемого решения и подтверждения отдельных гипотез.

Компьютерное моделирование процесса обледенения

Для моделирования процесса обледенения используется двухэтапный подход. Первоначально проводится расчет параметров потока несущей фазы (скорость, давление, температура). После этого рассчитывается непосредственно процесс обледенения: моделирование осаждения капель жидкости на поверхность, расчёт толщины и формы слоя льда. По мере роста толщины слоя льда происходит изменение формы и размеров обтекаемого тела, и выполняется пересчет параметров потока, используя новую геометрию обтекаемого тела.

Вычисление параметров потока рабочей среды происходит за счет численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих основные законы сохранения. Такая система включает уравнение неразрывности, уравнение количества движения (Навье-Стокса) и энергии. Для описания турбулентных течений пакет использует осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) и метод крупных вихрей LES. Коэффициент перед диффузионным членом в уравнении количества движения находится как сумма молекулярной и турбулентной вязкости. Для вычисления последней, в настоящей работе, используется однопараметрическая дифференциальная модель турбулентности Spallart-Allmaras, которая находит широкое применение в задачах внешнего обтекания.

Моделирование процесса обледенения осуществляется на основе двух заложенных моделей. Первая из них - модель плавления и затвердевания. Она не описывает явным образом эволюцию границы раздела жидкость-лед. Вместо этого используется формулировка энтальпии для определения той части жидкости, в которой образуется твердая фаза (лед). При этом поток должен описываться моделью двухфазного течения.

Второй моделью, позволяющей спрогнозировать образование льда, является модель тонкой пленки, которая описывает процесс осаждения капель на стенки обтекаемого тела, тем самым позволяя получать поверхность смачивания. Согласно данному подходу, в рассмотрение включается набор лагранжевых жидких частиц, которые обладают массой, температурой и скоростью. Взаимодействуя со стенкой, частицы, в зависимости от баланса тепловых потоков могут либо увеличивать слой льда, либо уменьшать его. Другими словами моделируется как обледенение поверхности, так и плавление ледяного слоя.

В качестве примера, иллюстрирующего возможности пакета для моделирования обледенения тел, рассматривалась задача обтекания цилиндра потоком воздуха со скоростью U=5 м/с и температурой T=-15 0C. Диаметр цилиндра составляет 19,5 мм. Для разбиения расчетной области на контрольные объемы использовался многогранный тип ячеек, с призматическим слоем у поверхности цилиндра. При этом для лучшего разрешения следа после цилиндра использовалось локальное сгущение сетки. Решение задачи производилось в два этапа. На первом, используя модель однофазной жидкости, были рассчитаны поля скоростей, давлений и температур для «сухого» воздуха. Полученные результаты имеют качественное согласование с многочисленными экспериментальными и численными работами по однофазному обтеканию цилиндра.

На втором этапе в поток инжектировались лагранжевы частицы, моделирующие наличие мелкодисперсных водяных капель в потоке воздуха, траектории которых, а также поле абсолютной скорости воздуха представлены на рис.2. Распределение толщины льда по поверхности цилиндра для различных моментов времени показано на рис.3. Максимальная толщина ледяного слоя наблюдается около точки торможения потока.

Рис.2. Траектории капель и скалярное поле абсолютной скорости воздуха

Рис.3. Толщина слоя льда в различные моменты времени

Время, затраченное на расчет двумерной задачи (физическое время t=3600c), составило 2800 ядрочасов, при использовании 16 вычислительных ядер. Столько же ядрочасов необходимо, чтобы посчитать в трехмерном случае только t=600 c. Анализируя временные затраты на расчет тестовых моделей, можно сказать, что для расчета в полной постановке, где расчетная область будет состоять уже из нескольких десятков миллионов ячеек, где будет учитываться большее число частиц и сложная геометрия объекта, потребуется значительное увеличение требуемых аппаратных вычислительных мощностей. В этой связи, для проведения полного моделирования задач трехмерного обледенения тел необходимо применение современных HPC-технологий.

На интенсивность обледенения влияют следующие факторы:

Температура воздуха . Самое сильное обледенение происходит в интервале температур от 0° до -10°С, вероятность образования умеренного обледенения – при температурах воздуха от -10°С до -20°С, слабого – ниже -20°С.

Микроструктура облака - физическое строение облака. По этому признаку облака делят следующим образом:

– капельно-жидкие, температура до -12°;

– смешанные, от -12° до - 40°;

– кристаллические, ниже - 40°.

Наибольшая вероятность обледенения в капельно-жидких облаках. К таким облакам относятся низкие подинверсионные слоистые и слоисто-кучевые облака. Они отличаются повышенной водностью, так как осадки из них, как правило, не выпадают, или бывают слабыми.

В смешанных облаках обледенение зависит от соотношения капель и кристаллов. Там, где капель больше, вероятность обледенения увеличивается, К таким облакам относятся кучево-дождевые облака. В слоисто-дождевых облаках обледенение наблюдается при полете выше нулевой изотермы и особенно опасно в диапазоне температур от 0° до –10°С, где облака состоят только из переохлажденных капель.

В кристаллических облаках обледенение, как правило, отсутствует. В основном это облака верхнего яруса – перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые.

Водность облаков . Водность облака – это количество воды в граммах, содержащееся в 1м³ облака. Чем больше водность облаков, тем интенсивнее обледенение. Самое сильное обледенение наблюдается в кучево-дождевых и слоисто-дождевых облаках при водности более 1г/м³.

Наличие и вид осадков . В облаках, их которых выпадают осадки, интенсивность обледенения уменьшается, так как уменьшается их водность. Наиболее тяжелое и интенсивное обледенение наблюдается при полете под слоисто-дождевыми и высоко- слоистыми облаками в зоне выпадающего переохлажденного дождя. Это характерно для переходных сезонов, когда температура воздуха у земли колеблется в пределах от 0°С до -3°С (-5°С). Самое сильное обледенение наблюдается в ледяном дожде. В мокром снеге обледенение слабое и умеренное, в сухом снеге обледенение отсутствует.

Размеры переохлажденных капель . Чем крупнее капли, тем прямолинейнее будет траектория их движения, так как они обладают большой силой инерции, следовательно, тем больше капель осядет и замерзнет на выступающей поверхности крыла в единицу времени. Мелкие капли, имеющие небольшую массу, увлекаются воздушным потоком и вместе с ним огибают профиль крыла.

Степень обледенения зависит от времени пребывания ВС в зоне обледенения. На атмосферных фронтах обледенение представляет опасность из-за большой продолжительности полета в его зоне, так как облака и осадки, связанные с фронтом, занимают, как правило, очень большие площади.

Профиль крыла ВС . Чем тоньше профиль крыла, тем интенсивнее обледенение. Это объясняется тем, что более тонкий профиль крыла вызывает разделение встречного набегающего потока на более близком расстоянии от крыла, чем при толстом профиле. Такое место (перемещение места) разделения потока делает линии тока, обтекающие крыло, более крутыми, инерционные силы капель большими, в результате почти все капли, большие и малые, оседают на тонком ребре крыла. Этим же объясняется и тот факт, что лед быстрее всего появляется на таких деталях, как стойки, приемник скорости, антенны и т.д.

Влияние скорости на интенсивность обледенения двояко. С одной стороны, скорость полета самолета увеличивает интенсивность обледенения, так как с возрастанием скорости в единицу времени большее капель столкнется с самолетом (до 300 км/ч). С другой стороны, скорость препятствует обледенению, ибо с ее повышением происходит кинетический нагрев самолета (более 300 км/ч). Нагрев отодвигает начало обледенения вверх, в сторону более низких температур. Вне облаков такой нагрев бывает большим, в облаках - меньшим. Объясняется это тем, что в облаках капли при столкновении с поверхностью самолета частично испаряются, тем самым несколько понижая температуру, вызываемую кинетическим нагревом.

В зависимости от температуры воздуха, размера переохлажденных капель, скорости и режима полета ВС различают следующие виды обледенения: лед, изморозь, иней.

Лед образуется в облаках или осадках при температуре от 0° до -10°С. Нарастает быстро (2-5 мм/мин) прочно задерживается и сильно увеличивает вес ВС. По внешнему виду лед бывает прозрачный, матовый шероховатый, белый крупообразный.

Прозрачный лед (гладкий) образуется при температуре от 0° до - 5°С. В облаках или осадках, состоящих только из крупных переохлажденных капель. Капли, ударяясь о поверхность ВС, растекаются по профилю крыла, образуя сплошную водяную пленку, которая, замерзая, превращается в слой прозрачного льда. Это самое интенсивное обледенение. Однако, если толщина льда небольшая, когда время полета в данной зоне обледенения невелико, этот вид обледенения не опасен. При полете в зоне переохлажденного дождя, где образование льда происходит очень быстро, прозрачный лед приобретает желобкообразный вид с бугристой поверхностью и сильно искажает профиль крыла, нарушая его аэродинамику. Такое обледенение становится очень опасным.

Матовый шероховатый лед образуется в облаках или осадках, состоящих из смеси снежинок, мелких и крупных переохлажденных капель в основном при температурах от - 5°С до -10°С. Крупные капли при столкновении с поверхностью ВС растекаются и замерзают, мелкие замерзают не растекаясь. Кристаллы и снежинки вмерзают в водяную пленку, образуя матовый шероховатый лед. Нарастает он неравномерно, в основном на выступающих частях ВС вдоль передних кромок, резко искажая обтекаемую форму ВС. Это наиболее опасный вид обледенения.

Белый крупообразный лед образуется в облаках, состоящих из мелких однородных капель воды при температуре ниже –10°С. Мелкие капли при столкновении с поверхностью ВС быстро замерзают, сохраняя свою сферическую форму. В результате лед становится неоднородным и приобретает белый цвет. При продолжительном полете и увеличении плотности льда он может представлять опасность.

Изморозь - крупнокристаллический налет белого цвета, который возникает при наличии в облаках мелких переохлажденных капель и ледяных кристаллов при температуре ниже –10°С. Нарастает быстро, равномерно, удерживается не прочно, стряхивается при вибрации, иногда сдувается встречным потоком воздуха. Опасно лишь при длительном пребывании в условия, благоприятных для отложения изморози.

Иней - мелкокристаллический налет белого цвета. Образуется вне облаков, за счет сублимации водяного пара на поверхности ВС. Наблюдается при резком снижении, когда холодное ВС попадает в теплый воздух или при взлете, когда ВС пересекает слой инверсии. Исчезает, как только температура ВС и наружного воздуха сравнивается. В полете не опасен, но может спровоцировать дальнейшее более сильное обледенения, если ВС, покрытое инеем, входит в переохлажденные облака или осадки.

По форме отложения льда и его расположению на поверхности крыла различают профильное обледенение, желобкообразный лед, клинообразный ледяной нарост (рис.65).

Рис.65 . Формы отложения льда на поверхности крыла

а) профильное; б, в) желобкообразное; г) клинообразное

Метод прогноза зон возможного обледенения воздушных судов

Общие сведения

В соответствии с Планом испытаний на 2009 г., в ГУ «Гидрометцентр России» проводились оперативные испытания метода прогноза зон возможного обледенения воздушных судов (ВС) по моделям ПЛАВ и NCEP в период с 1 апреля до 31 декабря 2009 г. Метод является составной частью технологии расчета карты особых явлений (ОЯ) на средних уровнях атмосферы (Significant Weather at the Middle levels – SWM ) для авиации. Технология была разработана в Отделе авиационной метеорологии (ОАМ) в 2008 г. в рамках темы НИР 1.4.1 для внедрения в Лаборатории зональных прогнозов. Метод применим также для прогноза обледенения на нижних уровнях атмосферы. Разработка технологии расчета прогностической карты ОЯ на нижних уровнях (Significant Weather at the Low levels – SWL) запланирована на 2010 г.

Обледенение воздушных судов может наблюдаться при необходимом условии, состоящем в наличии переохлажденных облачных капель в нужном количестве. Это условие не является достаточным. Чувствительность различных типов самолетов и вертолетов к обледенению неодинакова. Она зависит как от характеристик облака, так и от скорости полета и аэродинамических характеристик ВС . Поэтому прогнозируется лишь «возможное» обледенение в слоях, где выполняется его необходимое условие. Такой прогноз должен слагаться, в идеале, из прогноза наличия облаков, их водности, температуры, а также фазового состояния облачных элементов.

На ранних стадиях развития расчетных методов прогноза обледенения их алгоритмы опирались на прогноз температуры и точки росы, синоптический прогноз облачности и статистические данные о микрофизике облаков и повторяемости обледенения ВС. Опыт показал, что такой прогноз в то время был малоэффективным.

Однако и впоследствии, вплоть до настоящего времени, даже лучшие численные модели мирового класса не обеспечивали надежного прогноза наличия облаков, их водности и фазы . Поэтому прогноз обледенения в мировых центрах (для построения карт ОЯ; мы здесь не касаемся сверхкраткосрочного прогноза и наукастинга, состояние которых охарактеризовано в ) в настоящее время по-прежнему основывается на прогнозе температуры и влажности воздуха, а также, по возможности, простейших характеристик облачности (слоистая, конвективная). Успешность такого прогноза, однако, оказывается практически значимой, поскольку точность предвычисления температуры и влажности воздуха сильно повысилась по сравнению с состоянием, соответствующим времени написания .

В представлены основные алгоритмы современных методов прогноза обледенения. Для целей построения карт SWM и SWL нами были отобраны те из них, которые применимы к нашим условиям, т. е. базируются только на выходной продукции численных моделей. Алгоритмы расчета «потенциала обледенения», комбинирующие модельные и реальные данные в режиме наукастинга, в данном контексте неприменимы.

Разработка метода прогноза

В качестве выборок данных об обледенении самолетов, использованных для оценки сравнительной успешности алгоритмов, перечисленных в , а также известных ранее (в том числе известной формулы Годске) были взяты:
1) данные системы TAMDAR, установленной на самолетах, летающих над территорией США в пределах нижних 20 тыс. футов,
2) база данных самолетного зондирования над территорией СССР в 60-х гг. ХХ столетия, созданная в 2007 г. в ОАМ в рамках темы 1.1.1.2 .

В отличие от системы AMDAR, система TAMDAR включает датчики обледенения и точки росы. Данные TAMDAR удалось собрать за период с августа по октябрь 2005 г., весь 2006 г. и январь 2007 г. с сайта http:\\amdar.noaa.gov . С февраля 2007 г. доступ к данным был закрыт для всех пользователей, кроме правительственных организаций США. Данные были собраны сотрудниками ОАМ и представлены в виде базы, пригодной для компьютерной обработки, путем ручной выборки с упомянутого выше сайта следующей информации: время, географические координаты, высота по GPS, температура и влажность воздуха, давление, ветер, обледенение и турбулентность.

Остановимся вкратце на особенностях системы TAMDAR, совместимой с международной системой AMDAR и оперативно работающей на самолетах гражданской авиации США с декабря 2004 г. Система разработана в соответствии с требованиями ВМО, а также NASA и NOAA США. Отсчеты датчиков производятся через заданные интервалы давления (10 гПа) на режимах набора высоты и снижения и через заданные промежутки времени (1 мин) на режиме горизонтального полета. Система включает многофункциональный датчик, устанавливаемый на передней кромке крыла самолета, и микропроцессор, обрабатывающий сигналы и передающий их в пункт обработки и распространения данных, расположенный на земле (система AirDat). Неотъемлемой частью является также спутниковая система GPS, работающая в реальном времени и обеспечивающая пространственную привязку данных.

Имея в виду дальнейший анализ данных TAMDAR cовместно с данными ОА и численного прогноза, мы ограничивались выпиской данных только в окрестности ± 1 ч от сроков 00 и 12 ВСВ. Собранный таким путем массив данных включает 718417 отдельных отсчетов (490 дат), в том числе 18633 отсчета с наличием обледенения. Практически все они относятся к сроку 12 ВСВ. Данные группировались по квадратам широтно-долготной сетки размером 1.25х1.25 градуса и по высоте в окрестностях стандартных изобарических поверхностей 925, 850, 700 и 500 гПа. Окрестностями считались слои 300 – 3000, 3000 – 7000, 7000 – 14000 и 14000 – 21000 ф., соответственно. Выборка содержит 86185, 168565, 231393, 232274 отсчетов (случаев) в окрестностях 500, 700, 850 и 925 гПа, соответственно.

Для анализа данных TAMDAR об обледенении необходимо учитывать следующую их особенность. Датчик обледенения фиксирует наличие льда слоем не менее 0.5 мм. С момента появления льда и до момента его полного исчезновения (т. е. в течение всего периода наличия обледенения) датчики температуры и влажности не работают. Динамика отложений (скорость нарастания) в этих данных не отражена. Таким образом, не только нет данных об интенсивности обледенения, но нет и данных о температуре и влажности за период обледенения, что предопределяет необходимость анализа данных TAMDAR совместно с независимыми данными об указанных величинах. В качестве таковых использовались данные ОА из базы ГУ «Гидрометцентр России» о температуре врздуха и относительной влажности. Выборка, включающая данные TAMDAR о предиктанте (обледенении) и данные ОА о предикторах (температуре и относительной влажности), будет обозначаться в данном отчете как выборка TAMDAR-ОА.

В выборку данных самолетного зондирования (CЗ) над территорией СССР были включены все отсчеты, содержащие информацию о наличии либо отсутствии обледенения, а также о температуре и влажности воздуха, независимо от наличия облаков. Поскольку в нашем распоряжении нет данных реанализа за период 1961 – 1965 гг., не было смысла ограничиваться окрестностями сроков 00 и 12 МСВ или окрестностями стандартных изобарических поверхностей. Данные самолетного зондирования, таким образом, использовались непосредственно как измерения in situ. Выборка данных СЗ включала более 53 тыс. отсчетов .

В качестве предикторов из данных численного прогноза использовались прогностические поля геопотенциала, температуры воздуха (Т) и относительной влажности (RH) с заблаговременностью 24 ч глобальных моделей: полулагранжевой (в узлах сетки 1.25х1.25°) и модели NCEP (в узлах сетки 1х1°) за периоды сбора информации и сравнения моделей в апреле, июле и октябре 2008 г. (с 1 по 10 числа месяца).

Результаты, имеющие методическое и научное значение

1 . Температура и влажность воздуха (относительная влажность либо температура точки росы) являются значимыми предикторами зон возможного обледенения ВС, при условии, что эти предикторы измерены in situ (рис. 1). Все испытываемые алгоритмы, включая формулу Годске, на выборке данных самолетного зондирования показали вполне практически значимую успешность разделения случаев наличия и отсутствия обледенения. Однако в случае данных TAMDAR об обледенении, дополненных данными объективного анализа температуры и относительной влажности, успешность разделения понижена, в особенности на уровнях 500 и 700 гПа (рис. 2–5), вследствие того, что значения предикторов осреднены по пространству (в пределах квадрата сетки 1.25х1.25°) и могут отстоять по вертикали и по времени от момента наблюдения на 1 км и 1 ч, соответственно; сверх того, точность объективного анализа относительной влажности существенно понижается с высотой.

2 . Хотя обледенение ВС может наблюдаться в широком интервале отрицательных температур, его вероятность максимальна в сравнительно узких интервалах температуры и относительной влажности (-5…-10°С и > 85 %, соответственно). Вне этих интервалов вероятность обледенения быстро понижается. При этом зависимость от относительной влажности представляется более сильной: именно, при RH > 70 % наблюдалось 90,6 % всех случаев обледенения. Эти выводы получены на выборке данных самолетного зондирования; они находят полное качественное подтверждение на данных TAMDAR-ОА. Факт хорошего согласия результатов анализа двух выборок данных, полученных различными методами в сильно различающихся географических условиях и в разные периоды времени, показывает репрезентативность обеих используемых выборок для характеристики физических условий обледенения самолетов.

3 . На основании результатов выполненного тестирования различных алгоритмов для расчета зон обледенения и с учетом имеющихся данных о зависимости интенсивности обледенения от температуры воздуха, выбран и рекомендован к практическому использованию наиболее надежный алгоритм, ранее хорошо зарекомендовавший себя в международной практике (алгоритм, разработанный в NCEP). Этот алгоритм оказался наиболее успешным (значения критерия качества Пирси-Обухова составили 0.54 на выборке данных самолетного зондирования и 0.42 на выборке данных TAMDAR-OA). В соответствии с этим алгоритмом, прогноз зон возможного обледенения самолетов представляет собой диагноз указанных зон по прогностическим полям температуры, Т°C, и относительной влажности, RH %, на изобарических поверхностях 500, 700, 850, 925 (900) гПа в узлах модельной сетки.

Узлами сетки, принадлежащими к зоне возможного обледенения самолетов, считаются узлы, в которых выполняются следующие условия:

Неравенства (1) получены в NCEP в рамках программы RAP (Research Application Programme) на большой выборке данных измерений с помощью самолетных датчиков обледенения, температуры, влажности воздуха и применяются на практике для расчетов прогностических карт особых явлений для авиации. Показано, что повторяемость обледенения самолетов в зонах выполнения неравенств (1) на порядок выше, чем вне этих зон.

Специфика оперативных испытаний метода

Программа оперативных испытаний метода прогноза зон возможного обледенения самолетов с использованием (1) имеет определенные особенности, отличающие ее от стандартных программ испытаний новых и усовершенствованных методов прогноза. Прежде всего, алгоритм не является оригинальной разработкой ГУ «Гидрометцентр России». Он в достаточной степени проверен и оценен на разных выборках данных, см. .

Далее, успешность разделения случаев наличия и отсутствия обледенения ВС не может являться в данном случае объектом оперативных испытаний, ввиду невозможности получения оперативных данных об обледенении ВС. Единичные, нерегулярные рапорты пилотов, поступающие в МЦ АУВД, не могут в обозримое время составить репрезентативную выборку данных. Объективные данные типа TAMDAR над территорией России отсутствуют. Невозможно получить такие данные и над территорией США, поскольку на сайте, с которого нами были получены данные, составившие выборку TAMDAR-OA, информация об обледенении теперь закрыта для всех пользователей, кроме государственных организаций США.

Однако, учитывая, что решающее правило (1) получено на большом архиве данных и внедрено в практику NCEP, причем его успешность многократно подтверждена на независимых данных (в том числе и в рамках темы 1.4.1 на выборках СЗ и TAMDAR-OA), можно полагать, что в диагностическом плане статистическая связь между вероятностью обледенения и выполнением условий (1) является достаточно тесной и достаточно надежно оценена для практического применения.

Остается невыясненным вопрос о том, насколько правильно воспроизводятся в численном прогнозе зоны выполнения условий (1), выделенные по данным объективного анализа.

Иначе говоря, объектом испытаний должен являться численный прогноз зон, в которых выполняются условия (1). То есть, если в диагностическом плане решающее правило (1) является эффективным, то необходимо оценить успешность прогноза этого правила численными моделями.

Авторские испытания в рамках темы 1.4.1 показали, что модель ПЛАВ достаточно успешно прогнозирует зоны возможного обледенения ВС, определяемые через условия (1), однако уступает в этом отношении модели NCEP . Поскольку в настоящее время оперативные данные модели NCEP поступают в ГУ «Гидрометцентр России» достаточно рано, можно полагать, что, при условии значительного перевеса в точности прогноза, целесообразно использовать эти данные для расчета карт ОЯ. Поэтому было сочтено целесообразным, выполнить оценку успешности прогноза зон выполнения условий (1) как по модели ПЛАВ, так и по модели NCEP. В принципе следовало бы включить в программу и спектральную модель T169L31. Однако серьезные недостатки прогноза поля влажности не позволяют пока считать эту модель перспективной для прогноза обледенения.

Методика оценки прогнозов

В базу данных записывались поля результатов расчетов на каждой из четырех указанных изобарических поверхностей в дихотомических переменных: 0 означает невыполнение условий (1), 1 – выполнение. Параллельно рассчитывались аналогичные поля по данным объективного анализа. Для оценки точности прогноза необходимо сравнить результаты расчета (1) в узлах сетки по прогностическим полям и по полям объективного анализа на каждой изобарической поверхности.

В качестве фактических данных о зонах возможного обледенения ВС использовались результаты расчетов соотношений (1) по данным объективного анализа. Применительно к модели ПЛАВ это результаты расчетов (1) в узлах сетки с шагом 1.25 град, применительно к модели NCEP – в узлах сетки с шагом 1 град; в обоих случаях расчет производится на изобарических поверхностях 500, 700, 850, 925 гПа.

Прогнозы оценивались в рамках технологии оценки для дихотомических переменных. Оценки выполнялись и анализировались в Лаборатории испытаний и оценки методов прогнозов ГУ «Гидрометцентр России».

Для определения успешности прогнозов зон возможного обледенения самолетов рассчитывались следующие характеристики: оправдываемость прогнозов наличия явления, отсутствия явления, общая оправдываемость, предупрежденность наличия и отсутствия явления, критерий качества Пирси -Обухова и критерий надежности Хайдке- Багрова. Оценки выполнялись для каждой изобарической поверхности (500, 700, 850, 925 гПа) и отдельно для прогнозов, стартующих в 00 и 12 ВСВ.

Результаты оперативных испытаний

Результаты испытаний представлены в таблице 1 для трех областей прогноза: для северного полушария, для территории России и ее европейской территории (ЕТР) при заблаговременности прогноза 24 ч.

Из таблицы видно, что повторяемость обледенения по объективному анализу обеих моделей близка, причем она максимальна на поверхности 700 гПа, минимальна на поверхности 400 гПа. При расчете по полушарию на втором место по повторяемости обледенения стоит поверхность 500 гПа, затем – 700 гПа, что, очевидно, объясняется большим вкладом глубокой конвекции в тропиках. При расчете по России и ЕТР на втором месте по повторяемости обледенения находится поверхность 850 гПа, а на поверхности 500 гПа повторяемость обледенения уже вдвое меньше. Все характеристики оправдываемости прогнозов оказались высокими. Хотя показатели успешности модели ПЛАВ несколько уступают модели NCEP, однако и они вполне практически значимы. На уровнях, где повторяемость обледенения высока и где оно представляет наибольшую опасность для ВС, показатели успешности следует признать очень высокими. Они заметно снижаются на поверхности 400 гПа, особенно в случае модели ПЛАВ, оставаясь значимыми (критерий Пирси по северному полушарию понижается до 0.493, по России – до 0.563). По ЕТР результаты испытаний на уровне 400 гПа не приводятся ввиду того, что случаев наличия обледенения на этом уровне было крайне мало (37 узлов сетки модели NCEP за весь период), и результат оценки успешности прогноза статистически незначим. На остальных уровнях атмосферы результаты, полученные по ЕТР и России, очень близки.

Выводы

Таким образом, оперативные испытания показали, что разработанный метод прогноза зон возможного обледенения ВС, реализующий алгоритм NCEP, обеспечивает достаточно высокую успешность прогноза, в том числе на выходных данных глобальной модели ПЛАВ, которая в настоящее время является основной прогностической моделью. Решением Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета от 1 декабря 2009 г. метод рекомендован к внедрению в оперативную практику Лаборатории зональных прогнозов ГУ «Гидрометцентр России» для построения карт особых явлений для авиации.

Список литературы

1. Технический Регламент. Том 2. ВМО-№49, 2004. Метеорологическое обслуживание международной аэронавигации
2. Отчет о НИР: 1.1.1.2: Разработка проекта технологии подготовки прогностической карты особых явлений погоды для полетов авиации на нижних уровнях (заключительный). № гос. Регистрации 01.2.007 06153, М., 2007, 112 с.
3. Отчет о НИР: 1.1.1.7: Совершенствование методов и технологий прогнозов по аэродрому и на воздушных трассах (заключительный). № гос. регистрации 01.02.007 06153, М., 2007, 97 с.
4. Баранов А.М., Мазурин Н.И., Солонин С.В., Янковский И.А., 1966: Авиационная метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 281 c.
5. Зверев Ф.С., 1977: Синоптическая метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 711 с.
6. Otkin J. A., Greenwald T. J., 2008: Comparisons of WRF model-simulated and MODIS-derived cloud data. Mon. Weather Rev., v. 136, No. 6, pp. 1957-1970.
7. Menzel W. P., Frei R. A., Zhang H., et al., 2008: MODIS global cloud-top pressure and amount estimation: algorithm description and results. Weather and Forecasting, iss. 2, pp. 1175 – 1198.
8. Руководство по прогнозированию метеорологических условий для авиации (ред. Абрамович К.Г., Васильев А.А.), 1985, 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: Current icing potential: algorithm description and comparison with aircraft observations. J. Appl. Meteorol., v. 44, pp. 969-986.
10. Le Bot C., 2004: SIGMA: System of icing geographic identification in meteorology for aviation. 11 th Conf. on Aviation, Range, and aerospace, Hyannis, Mass., 4-8 Oct 2004, Amer. Meteorol. Soc. (Boston).
11. Minnis P., Smith W.L., Young D.F., Nguyen L., Rapp A.D., Heck P.W., Sun-Mack S., Trepte Q., Chen Y., 2001: A near real- time method for deriving cloud and radiation properties from satellites for weather and climate studies. Proc. AMS 11th Conf. Satellite Meteorology and Oceanography, Madison, WI, 15-18 Oct, pp. 477-480.
12. Thompson G., Bruintjes R.T., Brown B.G., Hage F., 1997: Intercomparison of in-flight icing algorithms. Part 1: WISP94 real-time icing prediction and evaluation program. Weather and Forecasting, v. 12, pp. 848-889.
13. Иванова А. Р., 2009: Опыт верификации численных прогнозов влажности и оценка их пригодности для прогноза зон обледенения воздушных судов. Метеорология и гидрология, 2009, № 6, с. 33 - 46.
14. Шакина Н. П., Скриптунова Е. Н., Иванова А. Р., Горлач И. А., 2009: Оценка механизмов генерации вертикальных движений в глобальных моделях и их начальных полях в связи с численным прогнозом осадков. Метеорология и гидрология, 2009, № 7, с. 14 - 32.

Интенсивность обледенения воздушного судна в полёте (I, мм/мин) оценивается скоростью нарастания льда на передней кромке крыла - толщиной отложения льда в единицу времени. По интенсивности различают слабое обледенение - I менее 0,5 мм/мин; умеренное обледенение - I от 0,5 до 1,0 мм/мин; сильное обледенение - I более 1,0 мм/мин.

При оценке опасности обледенения можно использовать понятие степени обледенения. Степень обледенения - суммарное отложение льда за всё время пребывания воздушного судна в зоне обледенения.

Для теоретической оценки факторов, влияющих на интенсивность обледенения, используется формула:

где I - интенсивность обледенения; V- воздушная скорость воздушного судна; ω - водность облака; Е - интегральный коэффициент захвата; β - коэффициент намерзания; ρ - плотность нарастающего льда, которая колеблется в пределах - от 0,6 г/см 3 (белый лёд) до 1,0 г/см 3 (прозрачный лёд).

Интенсивность обледенения воздушных судов возрастает при увеличении водности облаков. Значения водности облаков меняются в широких пределах - от тысячных долей до нескольких граммов в 1 м3 воздуха. При водности облака 1 г/м 3 или более наблюдается наиболее сильное обледенение.

Коэффициенты захвата и намерзания - безразмерные величины, которые практически трудно определить. Интегральный коэффициент захвата - отношение фактически осевшей на профиле крыла массы воды к той массе, которая осела бы при отсутствии искривления траекторий капель воды. Этот коэффициент зависит от размера капель, толщины профиля крыла и воздушной скорости воздушного судна: чем крупнее капли, тоньше профиль крыла и больше воздушная скорость, тем больше интегральный коэффициент захвата. Коэффициент намерзания - отношение массы льда, наросшего на поверхности воздушного судна, к массе воды, осевшей за то же время на ту же поверхность.

Обязательным условием обледенения воздушных судов в полёте является отрицательная температура их поверхности. Температура окружающего воздуха, при которой было отмечено обледенение воздушных судов, варьируется в широких пределах - от 5 до -50 °С. Вероятность обледенения возрастает при температуре воздуха от -0 до -20 °С в переохлажденных облаках и осадках.

С увеличением воздушной скорости ВС интенсивность обледенения возрастает, как видно из формулы. Однако при больших воздушных скоростях возникает кинетический нагрев воздушных судов, препятствующий обледенению. Кинетический нагрев возникает вследствие торможения воздушного потока, которое приводит к сжатию воздуха и повышению его температуры и температуры поверхности ВС. Из-за влияния кинетического нагрева обледенение воздушных судов возникает чаще всего при воздушных скоростях менее 600 км/ч. Воздушные суда обычно подвергаются обледенению при взлёте, наборе высоты, снижении и заходе на посадку, когда скорости невелики.

При полётах в зонах атмосферных фронтов обледенение воздушных судов наблюдается в 2,5 раза чаще, чем при полётах в однородных воздушных массах. Это связано с тем, что фронтальная облачность является, как правило, более мощной по вертикали и более протяжённой по горизонтали, чем внутримассовая облачность. Сильное обледенение в однородных воздушных массах наблюдается в единичных случаях.

Интенсивность обледенения воздушных судов при полетах в облаках различных форм разная.

В кучево-дождевых и мощных кучевых облаках при отрицательной температуре воздуха почти всегда возможно сильное обледенение воздушных судов. Эти облака содержат крупные капли диаметром 100 мкм и более. Водность в облаках увеличивается с высотой.

Обледенением называется отложение льда на обтекаемых частях самолетов и вертолетов, а также на силовых установках и внешних деталях специального оборудования при полете в облаках, тумане или мокром снеге. Обледенение возникает в том случае, если в воздухе на высоте полета имеются переохлажденные капли, а поверхность воздушного судна имеет отрицательную температуру.

К обледенению самолетов могут привести следующие процессы: - непосредственное оседание льда, снега или града на поверхности самолета; - замерзание капель облака или дождя при соприкосновении с поверхностью воздушного судна; - сублимация водяного пара на поверхности самолета. Для прогноза обледенения на практике используется несколько достаточно простых и эффективных способов. Основные из них следующие:

Синоптический метод прогноза. Этот метод заключается в том, что по имеющимся в распоряжении синоптика материалам определяются слои, в которых наблюдается облачность и отрицательные температуры воздуха.

Слои с возможным обледенением определяются по аэрологической диаграмме, а порядок обработки диаграммы вам, уважаемый читатель, достаточно хорошо знаком. Дополнительно можно еще раз сказать, что наиболее опасное обледенение наблюдается в слое, где температура воздуха колеблется от 0 до -20°С, а для возникновения сильного или умеренного обледенения наиболее опасным является перепад температур от 0 до -12°С. Данный метод достаточно прост, не требует значительного времени на выполнение расчетов и дает хорошие результаты. Других пояснений по его использованию давать нецелесообразно. Метод Годске.

Этот чешский физик предложил по данным зондирования определять величину Тн.л. - температуру насыщения надо льдом по формуле: Тн.л. = -8D = -8(T - Td), (2) где: D - дефицит температуры точки росы на каком-либо уровне. Если оказывалось, что температура насыщения надо льдом выше температуры окружающего воздуха, то на этом уровне следует ожидать обледенения. Прогноз обледенения по этому методу также дается с помощью аэрологической диаграммы. Если по данным зондирования получается, что кривая Годске в каком-то слое лежит правее кривой стратификации, то в этом слое следует прогнозировать обледенение. Годске рекомендует использовать свой метод прогноза обледенения ВС только до высоты 2000 м.

В качестве дополнительной информации при прогнозе обледенения можно использовать следующую установленную зависимость. Если в интервале температур от 0 до - 12°С дефицит точки росы больше 2°С, в интервале температур от-8 до - 15°С дефицит точки росы больше 3°С, а при температурах ниже - 16°С дефицит точки росы больше 4°С, то с вероятностью более 80% обледенение при таких условиях наблюдаться не будет. Ну и, естественно, важным подспорьем для синоптика при прогнозе обледенения (и не только его) является информация, передаваемая на землю пролетающими экипажами, или экипажами взлетающими и заходящими на посадку.