Прогнозирование парящих условий
Пилоты, которые готовятся к полету, еще до него, хотели бы знать что их ждет в воздухе. Для этого используются такие показатели, как индекс термичности, индекс восходящих потоков, Киндекс, и trigger time (время, когда исчезает приземная инверсия). Ниже мы расскажем о каждом из них.
Индекс термичности является показателем нестабильности воздуха. Для его определения используются ожидаемая температура у земли и температура на высоте. Для этого может быть использована температура на любой высоте, но обычно берут при 850 гПа (примерно 1525 м) и 700 гПа (3050м). Теперь мы берем ожидаемую температуру у земли и вычитаем из нее изменение температуры порции воздуха,
поднявшейся на заданную нами высоту. До тех пор, пока не образуются облака, это 1° на 100 м. Вычтя из подсчитанного числа измеренную температуру на высоте, получим индекс термичности. Для ясности приведем пример расчета.
Давайте представим, что предполагаемая наибольшая температура днем будет 30°С. Температура при 850 гПа (1525 м) - примерно 11° и при 700 гПа (3050 м) - +4°. Также давайте допустим, что мы находимся на высоте 305 м над уровнем моря. Сначала считаем разность высот 1525 - 305 = 1220 м. таким образом порция воздуха, поднявшаяся на 1220 м охладится на 1°С х 12,2 = 12,2°С. Вычитая это значение из 30° получим 17,8°С - это расчетная температура на высоте 1525 м. Теперь вычитаем из измеренной 11° расчетную 17,8° и получаем -6,8°С. Это и есть термический индекс приведенный к высоте 1525 м.
Вычислим тоже только для высоты 3050 м. Разность высот - 2745 м. Расчетное охлаждение на 27,5°. Температура расчетная - 2,5°. В таком случае термический индекс приведенный к высоте 3050 м будет равен (4° - 2,5°) + 1,5°. Знак плюс говорит о том, что воздух стабилен, потому что на самом деле он на этой высоте теплее, чем может быть поднявшаяся порция воздуха. Термики не могут достигать высоты 3050 м.
Отрицательное значение индекса говорит о развитии термичности. Чем больше модуль этого числа, тем сильнее термичность. Индекс термичности зависит от выбранной вами высоты для расчета.
В этом смысле для расчета изо дня в день желательно брать одну высоту, чтобы можно было сравнивать уровень термичности по индексу.
Индекс восходящих потоков - это специальная форма индекса термичности. В то время, как последний расчитывается для любой высоты, то индекс восходящих потоков всегда считается для 5500 м. В связи с тем, что он считается для одной высоты, мы можем по его значению оценить стабильность атмосферы.
Рэйтинг индекса восходящих потоков.
| Индекс восходящих потоков | Стабильность атмосферы |
| 10 и более | Очень стабильная |
| от 5 до 10 | Стабильная |
| от 1 до 5 | Ограниченно стабильная |
| Нейтральная | |
| от -1 до -5 | Ограниченно нестабильная |
| от -5 до -10 | Стабильная |
| -10 и менее | Очень нестабильная |
Индекс восходящих потоков обновляется каждые 12 часов в США и узнать его можно в авиационной службе погоды. Он особенно полезен в районах пустынь, где слой инверсии отсутствует. В районах с влажным климатом с низкой базой облаков, расчет индекса термичности дает больше информации о термической активности на малых высотах.
Киндекс используют как метод оценки вероятности грозы в дополнение к индексу термичности во влажных районах. Таблица ниже объясняет его.
Рэйтинг индекса К
| Индекс К | Вероятность грозы |
| 15-20 | Менее 20% |
| 21 – 25 | 20 - 40% |
| 26 – 30 | 40 - 60% |
| 31-35 | 60 - 80% |
| 36-40 | 80-90% |
| более 40 |
Мы можем комбинировать индекс восходящих потоков и Киндекс чтобы получить наиболее полную картину погоды и парящих условий (таблица ниже).
Прогнозирование по индексам
Последний фактор в наших предсказаниях парящих условий - это trigger температура. Как рассказывалось в главе 9, инверсия у земли часто является причиной, задерживающей термическую активность до тех пор, пока мощность термиков не достигнет такой величины, что они будут способны пробить слой инверсии. Время, которое для этого понадобится, очень важно для определения, когда пойдут нормальные термические потоки. Ранее этот процесс начинается у вершин горных массивов. Как показано на рисунке 174, температура постепенно поднимается к trigger температуре. Если мы знаем ее, утренний градиент температуры и изменение температуры от прогрева поверхности, мы можем рассчитать trigger время. Это время можно также узнать из службы погоды. Расчет показан в приложении V.
ЧТЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ
Так же как Шерлок Холмс, спортивные пилоты обращают внимание на все детали. Они принимают в расчет и погоду, и особенности поверхности. Пилоты, летающие в знакомом месте, должны иметь хороший план полета в зависямости от ветра. Часто простая сводка о скорости и направлении ветра будет достаточна для определения погоды на хорошо известной территории и ее пригодности для полета.
Характеристики ветра могут привести к отсрочке полета. Знающие пилоты особенно следят за этим фактором. Отметим, что при полетах в горах склоны, которые направлены преимущественно на ветер, будут более предпочтительны для полетов, другие склоны менее предсказуемы.
Вместе с характеристиками ветра очень важна информация о стабильности воздуха. Ее можно получить из метеосводок, расчетов (см. выше) или наблюдений. Слоистые облака указывают на стабильные условия, в то время как кучевые - на нестабильные. Ясные солнечные дни обычно приносят нестабильность различной степени. Если воздух холодный и солнечная, ясная погода, то с большой долей вероятности можно ожидать нестабильные условия. Дым, стелющийся у земли, и дымка говорят о стабильном воздухе, в то время как дым, поднимающийся на большие высоты, указывает на обратное. Парящие птицы и быстрое изменение направления ветра - знаки нестабильности и термичности.
Мы можем с полным основанием ожидать турбулентность при нестабильных условиях и сильном ветре. Изменения ветра по ощущениям, показаниям анемометра, состоянию водной поверхности и листьям на деревьях могут предупредить о турбулентности. Турбулентность среза встречается при значительном отличии скорости и направления ветра по месту или высоте.
Градиент скорости ветра может быть очень значительным, сильное изменение ветра может отмечаться уже на 10 - 15 метрах над землей. Знание этого изменения особенно необходимо при заходе на посадку. Иногда изменение направления ветра с высотой может подсказать дрейф термических потоков.
Вышесказанное больше относится к безопасности полетов. Опытный пилот в этом также увидит пути обнаружения термических потоков. Склон, стоящий на пути ветра, создает динамический восхдящий поток и может подсказать местоположение термических потоков. Так же хорошо на это могут указывать кучевые облака и места на поверхности, являющиеся потенциальными генераторами термических потоков. Возможность конвергенции часто распознается по особенностям поверхности и облакам. В заключение, это же хочется сказать и о волнах.
ПРИМЕРЫ
С целью проверить как усвоены знания, полученные после прочтения этой книги, давайте проэкзаменуем себя на некоторых гипотетических ситуациях. Рисунки 224 - 226 указывают на многие эффекты поверхности и различные условия. Первый - нестабильные условия и слабый ветер, второй - стабильные и слабый ветер, третий - стабильные условия с сильным ветром.
Посмотрим внимательно на рисунок 224. Мы видим дым в долине, который указывает на скорость и направление ветра (слабый вдоль долины). Дым указывает на легкую турбулентность и расширяется с подъемом. Возможен небольшой градиент скорости ветра. Присутствуют термические потоки, на это указывают отдельные кучевые облака (В).
Надеемся найти подъем везде, где термические потоки, но сильную турбулентность ожидаем только вблизи сухой прогретой поверхностью (С) и высокого кучевого облака (D). Термики над С маленькие и интенсивные, в то время, как гроза (D) создает сильные порывы, которые распространяются от земли до тучи. Продвигаясь по долине, гроза может принести усиление ветра и смерчи перед собой.
Можно надеяться на восходящие потоки в местах, обозначенных Е, где поверхность контрастная и способствует образованию термиков. Во время приближения грозы термики могут быть подавлены задолго до её прихода. Хорошие термические потоки можно также найти над возвышенностями (F). Отметим возможные несильные нисходящие потоки над лесистыми территориями (G) и водной поверхностью (Н). Полет вблизи города не всегда безопасен, особенно перед грозой. В заключение обратим внимание на парящую птицу (I), которая указывает на местоположение термика.
На рисунке 225 - безоблачно и стабильно. Это приводит к большой разнице температур между берегом (А) и лесом (В) или водой (С). По этой причине возникают местные циркуляции в форме морского бриза D и потоков в районе границы берега и леса Е. Восходящий поток над линией F - G может быть достаточно мощным потому, что это зона конвергенции. Однако прогрев долины инициирует ветер на склон на всем протяжении гор (Н) так, что поток из леса на берег будет пропадать в течение дня. Мы должны отметить, что такие циркуляции могут быть и в нестабильных условиях тоже, однако, термичность может сделать циркуляцию неустойчивой. Ветра вниз по склону можно ожидать вечером.
Изучив рисунок 226, мы можем заметить различные ситуации. Сильный ветер в долине, отклоняющий дым (А), причем скорость и направление по высоте изменяется, как показано на В. Вообще то изменение направления ветра не способствует волнообразованию, но здесь ветер в долине имеет такое направление из-за ее узости и длины.
При отдалении от земли можно ожидать более спокойное состояние воздуха, но здесь мы видим сильную турбулентность в С. Особое внимание надо обратить на места за холмами (D) и за деревьями (Е), где скорее всего можно встре- , тить сильную турбулентность. Слоистые облака (F) могут блокировать солнце и этим увеличивать стабильность так же, как сопровождать срез потоков на высоте. Также четкая граница облаков может производить тепловой фронт в легкий ветер.
Динамический восходящий поток можно ожидать вдоль всего склона справа, но обратить особое внимание на ущелья (G). По lenticular облакам (Н) угадывается наличие волн, и они, возможно, распространяют до точки I. Как подсказывает облако J за.склоном К расположился ротор.
ИТОГИ.
В этой главе мы учились делать краткосрочные прогнозы по картам, метеосводкам и собственным наблюдениям. Большую роль в этом играет местный фактор. Летая, мы учимся наблюдать, думать, делать выводы. Все пилоты должны быть прилежными учениками природы - это залог безопасности и высоких спортивных результатов. Наблюдательность - ключ к этому.
ПРИЛОЖЕНИЕ I
ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОТНОСТИ В А ТМОСФЕРЕ
Характеристики летательного аппарата сильно зависят от плотности воздуха. Меньшая плотность приводит к большим скоростям полета, что особенно важно при взлете и посадке.
Плотность воздуха изменяется в соответствии с изменением температуры, влажности и давления также как с увеличением высоты. Изменение высоты - самый важный фактор влияющий на плотность воздуха, затем по значимости следуют температура и влажность и последним стоит давление. Например, жаркий и влажный день на высоте 3048 м может иметь плотность на 45% меньше, чем в холодный, сухой день на уровне моря. Это приведет к увеличению полетных скоростей на 22%.
В авиационном мире принята концепция определения высоты по давлению. Для этого введено понятие стандартной атмосферы (глава 2) с давлением на уровне моря 1013,25 гПа, температурой 15°С и градиентом температуры 6,5°С/км. В таблице приведены данные стандартной атмосферы в зависимости от высоты.
Используя эту таблицу, мы можем определить нашу высоту, если знаем местное давление (по барометру или высотомеру, показывающему на уровне моря 1013,3 гПа). Высота барометрическая - это стандартная высота, полученная измерением давления в данном месте. Изменения высоты поверхности и барические системы изменяют барометрическую высоту.
Следующий шаг учесть изменение высоты по плотности и температуре. Следующая таблица дает такую возможность.
Мы видим, что высота по плотности увеличивается на 135 - 220 м на каждые 5°С. проиллюстрируем на примере, как определить высоту по плотности.
Примем наше местное давление равным 812,1 гПа и температуру - 27°С. Смотрим в таблицу стандартных атмосфер и находим, что 812,1 гПа соответствует 1829 м. Теперь наша реальная высота может быть больше или меньше в зависимости от того, какая барическая система на данной территории. Далее смотрим в таблицу высоты по плотности, находим 1829 м и под ней напротив 27°С находим нашу высоту 2625 м.
Большинство спортивной авиации не сталкивается с условиями слепого полета, потому мы здесь не будем подробно останавливаться на факте изменения давления во время полета из-за перемещения барической системы или при дальних полетах при пересечении изобар. Но мы должны пони мать влияние изменения давления на высотомер. При повышении давления на данной территории, высотомер будет показывать уменьшение высоты. Как же определить истинную высоту? Это возможно только в случае, если мы знаем местную истинную высоту.
Международная система, называемая Q кодом, связывает соотношение давления и высоты. Код обозначает следующее: QFE - давление на уровне аэродрома. Мы знаем QFE, когда перед взлетом выставляем наш высотомер на ноль. В4 этом случае прибор показывает высоту над аэродромом до тех пор, пока не произойдет изменение давления на аэродроме. QNH - давление на аэродроме, приведенное к уровню моря по стандартной атмосфере. Ему соответствует барометрическая высота над уровнем моря. Если в высотомер ввести QNH, то он будет показывать высоту полета над уровнем моря. QNE - высотомер показывает высоту, если давление над уровнем моря 1013,25 мб. QNE - тоже, что и барометрическая высота. QNH эквивалентно QNE, когда давление на уровне моря 1013,25 мб.
На самом деле наши высотомеры никогда не показывают истинную высоту потому, что условия, соответствующие „ стандартной атмосфере практически не встречаются, а приборы оттарированы на изменение показаний высоты в соответствии со стандартным изменением давления. Это общая проблема, и все высотомеры страдают этим в одинаковой мере. Точность их показаний вполне достаточна для полетов.
ПРИЛОЖЕНИЕ II
ЭФФЕКТ КОРИОЛИСА
В векторном анализе сила отклонения, действующая на материальную точку определяется:
D= 2 • т- V- ы- sin ^, где т - масса материальной точки,
V - скорость частицы
2- ж (О - угловая скорость земли = -т— радиан/час
ф - широта
Из этой формулы видно, что чем больше широта, тем больше эффект Корриолиса. Эта сила максимальна на полюсах и равна нулю на экваторе. Также замечаем, что сила пропорциональна скорости точки. Если У=0, то D=0.
В северном полушарии эта сила направлена вправо от движущейся точки. Если точка движется от центра высокого давления, то она будет заворачивать вправо и двигаться вокруг центра. Это движение инициирует центробежную силу, которая имеет тенденцию уменьшать градиент давления. Противоположная картина наблюдается в области пониженного давления. Здесь ветер вокруг центра низкого давления имеет тенденцию быть сильнее, чем в антициклоне. Торнадо, ураганы, смерчи возникают именно в циклонах.
ПРИЛОЖЕНИЕ III
СУХИЕ ВЕТРЫ
Причину возникновения теплых сухих ветров (chinook, фен и др.). которые дуют на подветренных склонах, можно понять проанализировав изменение температуры воздуха, движущегося над возвышенностью. На рисунке через дробь указаны слева температура воздуха, а справа температура точки росы.
Воздух поднимается адиабатически (без обмена теплом, охлаждаясь примерно 1°С/100 м из-за расширения) пока не достигнет высоты точки росы (в данном случае 1220 м), где начнется конденсация. С превращением водяных паров в дождь выделяется дополнительное тепло и воздух уже меньше охлаждается (примерно 0,82°С/100 м). Это продолжается до вершины горы. На подветренном склоне воздух быстро нагревается сжимаясь и конденсация прекращается. В дополнение воздух нагревается примерно 1°С/100 м и температура на подветренном склоне выше чем на той же высоте наветренного склона. Кроме того воздух очень сухой из-за того, что отдал много влаги осадками.
ПРИЛОЖЕНИЕ IV
ТЕРМИЧЕСКАЯ BOUYANCY
Термическая bouyancy (выталкивающая сила, действующая на некоторый объем более теплого воздуха, а значит более легкого) сильно увеличивается после начала образования облаков при высвобождении скрытого тепла когда имеет место процесс конденсации. До формирования облаков скорость вверх может уравновешивать ее с силами сопротивления. Bouyancy базируется на принципе Архимеда:
Bouyancy равна произведению массы на ускорение гравитации и на отношение превышения температуры воздуха в термше к температуре окружающего воздуха Выразив массу через объем и плотность, мы имеем:
Движение термического потока вверх без ускорения будет когда bouyancy равна силе сопротивления, то есть D = В
Из этого равенства видно, что скорость потока вверх зависит от двух факторов: разности температур и диаметра потока. Разность температур зависит от того, насколько сильно нагрелся воздух при формировании потока и от градиента. Чем больше диаметр термика, тем больше его скорость. Таким образом можно сделать вывод, что чем больше поток, тем быстрее он поднимается при том же градиенте.
Термический поток ускоряется до той высоты, где уравновешиваются сила сопротивления и bouyancy. Позднее он замедляется с уменьшением градиента и при перемешивании с окружающим воздухом. Мы можем сделать вывод, что замедляясь с высотой, термик движется в более стабильных условиях, ускорение потока говорит о нестабильности, как показано ранее на рисунке 180.
ПРИЛОЖЕНИЕ V
НАЧАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ОБРАЗОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ
Очень важной информацией для парящих пилотов есть начальная температура образования термических потоков и время начала их образования (trigger time, trigger temperature), которые определяют начало термичной погоды. На рисунке мы видим градиент температуры с ночной инверсией у земли (толстая линия). Для того, чтобы термический поток поднялся выше инверсии, он должен нагреться у поверхности до температуры не менее 15° (точка А), в противном случае он будет тормозиться в слое инверсии.
Заштрихованная площадь треугольника пропорциональна количеству тепла требуемому для изменения градиента температуры. Мы можем посчитать эту площадь следующим образом: умножить высоту треугольника (в данном случае 610 м) на половину разности температур (здесь 15° -1° = 14°). Получим в этом примере 610 м - 7,0° = 4270 градусо-метров.
Следующий шаг: надо определить сколько тепла понадобится для этого изменения. Диаграмма показывает ожидаемый прогрев в ясное утро на широте 45°. Если ваша широта больше или меньше, сдвигайте кривые вниз или вверх на 1/2 часа на каждые 5° изменения широты. Сплошные линии обозначают температуру умноженную на 300 м. Например, ли ния 6100 °С х м говорит о количестве тепла, достаточном для нагрева слоя воздуха толщиной 305 м на 20°, слоя 610 м на 10° и т.д.
В нашем примере нам нужно получить 4270 градусо-метров тепла. Из таблицы мы видим, что это соответствует середине июня после 11:00. С этого времени быстро увеличиваются высота и мощность термиков. 11:00 - время, когда энергии термических потоков достаточно, чтобы пробить слой приземной инверсии.
Мы можем таким образом рассчитать высоту термических потоков в любое время дня, если знаем действительный градиент температуры. Просто определяем из таблицы сколько тепла нужно в это время, затем располагаем это тепло между реальным градиентом и сухоаддиабатическим.
Отметим, что облака, дымка, туман и загрязнение атмосферы задерживают солнечное тепло. Необходимо учитывать это в расчетах. Проводя такие расчеты постоянно, вы можете достигнуть очень хороших результатов.