Аэрологическ ая д иаграмма, ее ис пол ьзование дл я опреде- ления различных характеристик атмосферы и метеорологи- ческих условий полетов

В мет еорологических подразделениях наряду с различными метеорологическими карт ами погоды по данным аэрологических наблюдений составляются специальные графики, получившие название аэрологических диаграмм (АД). Эти графики дают возможност ь сравнит ельно быст ро и нагляд но проанализировать метеорологические условия на различных высотах, определить положение облачных слоев и другие явления, а также составит ь прогнозы возникновения гроз, ливней, обледенения и болтанки.

Бланки АД, применяющиеся в настоящее время, построены в косоугольной (АДК) или прямоугольной (АД П) сист еме координат. При эт ом один из бланков АДК применяет ся в холодное время года (АДКХ), а другой - в теплое время года (АДКТ). На бланках АД нанесены след ующ ие линии:

1. Изобары - коричневые горизонтальные линии, проведенные через 10 гПа (у левых и

правых их концов в виде дополнительных шкал - через 5 гПа). На АДК изобары проведены для интервала давления от 1050 до 100 гПа, на АДП - от 1050 до 10 гПа. Обозначения даны у левых и правых концов изобар и вблизи кривой CA-81.

2. Изотермы - на АДП коричневые вертикальные линии, на АДК коричневые линии, наклоненные вправо. Проведены ч ерез 1°С. На уровне 1000 гПа инт ервал температ уры на АДКТ от - 25°С до +40°С, на АДКХ от -55°С до +10°С, на АДП от -80°С до +40°С. Изотермы подписаны через 10°С у их нижних и верхних концов, а также вблизи изобары

450 гПа на АД К и 200 гПа на АДП.

3. Сухие ад иабаты - коричневые линии, наклоненные влево. Они характеризуют изменение температуры в поднимающемся сухом возд ухе.

4. Влажные адиабаты - зеленые шт риховые линии, характеризующие изменение т емпературы в поднимающемся влажном воздухе.

5. Изограммы - зеленые непреры вные, почти прямые линии, наклоненные на АД П влево, на

АДК - вправо. Это линии равных значений массовой доли водяного пара (уд ельной влажност и), характеризующ ие предельное насыщение возд уха вод яным паром при данной т емпературе (в граммах на килограмм).

6. Кривая изменения т емперат ур ы возд уха с высотой в стандарт ной атмосфере - коричневая ломаная линия. Кривая CA-81 нанесена на АД КТ и АДП.

7. Ш кала ст андартны х барометрических высот дана слева на оси ординат .

8. Ш кала энергии неустойчивости дана справа на оси орд инат. Цифры у делений этой шкалы указывают величину энергии в Д ж/см2 при подъеме массы воздуха в 1 кг на соответствующую высоту.

9. Ш кала поправок на виртуальную температ ур у нанесена в виде точек зеленого цвета на т рех уровнях: 900, 720 и 520 гПа. Числа у делений шкалы указывают величины поправок д ля насыщенного воздуха с темпер атурами, соот вет ствующими изот ермам, проход ящим через эти точки.

По данным радиозондирования атмосферы на бланках АД строят: кривую

страт ификации, кривую точек росы и кривую сост ояния.

Кривая стратификации - кривая фактического распределения т емперат уры воздуха по высотам. Ее построение производится следующим об разом: на горизонт альной оси находят значение т емперат уры, соответ ствующее начальному уровню подъ ема, а на верт икальной оси - значение давления д ля эт ого же ур овня, на пересечении соответст вующ их изотермы и изобары ставят точку. Около нее проставляют значение высот ы (км или м), ост альные т очки под ъема ст роят аналогично. После нанесения всех точек их соединяют сплошной красной линией (рис. 5.17).

Кривая точек росы (д епеграмма) характ еризует распределение точек росы (т.е. влажност и) по высотам. Она провод ится черным пунктиром, строит ся таким же образом, как и кривая стратификации (рис. 5.17). Депеграмма всегд а располагается левее кривой страт ификации.

Рис. 5.16. Определение высоты уровня конденсации

(АК - сухая адиабата, ВК - изограмма)

Кривая состоя ния характеризует изменение т емпературы в поднимающемся воздухе. Она проводится черной линией. Построение кривой состояния начинается с определения уровня конденсации (рис. 5.16). Д ля эт ого на изобаре, соответст вующ ей давлению воздух а у земли Р0 , отклад ываются наблюдаемые значения температ уры возд уха у земли t0 (т очка А) и точки росы td (т очка В). От точки А поднимаемся вверх по сухой адиабате (или параллельно ей, если адиабата не проходит через точку А) до встречи с изограммой, прох одящей через точку В. Место пересечения адиабаты с изограммой (точка К ) и являет ся уровнем конд енсации hк .

Кривая сост ояния дает представление об изменении температуры при адиабат ическом

подъеме возд уха. Это изменение до момента насыщения происходит по сухой адиабат е, а затем по влажной. Поэтому до уровня конденсации кривая состояния совпадает с сух ой ад иабатой, а выш е уровня конденсации - с влажной адиабат ой (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Построение кривых стратификации, точек росы и состояния

При наличии радиационной инверсии или изотермии построение кривой состояния следует начинат ь от верхнего уровня этого слоя.

Выдел ение площади положительной и отрицательной энергии неустойчивости. Энергия неустойчивости - э то потенциальная энергия атмосферы, определяемая распределением температ уры воздуха с высотой. От ее наличия и величины зависит характер вертикальной устойчивости атмосферы. Энергия неустойчивости положительна, если воздух может самостоят ельно подниматься вверх (неустойчивое равновесие). Энергия неуст ойчивости отрицательна, если воздух поднимает ся вверх только при получении э нергии извне (устойчивое равновесие). Положительная энергия неустойчивости переходит в кинетическую энергию верт икальных движений воздуха. По ее величине судят о возможности возникновения ливней, гроз и града.

Равновесное сост ояние ат мосферы можно определит ь с помощью аэрологической д иаграммы, на которой строят кривую стратификации и кривую состояния. Если кривая состояния располагается правее кривой ст ратификации - энергия неуст ойчивости положительна и состояние атмосферы неустойчивое. Если кривая состояния располагает ся левее кривой страт ификации - энергия неуст ойчивости от рицательна и состояние атмосферы устойчивое (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Устойчивое (а) и неустойчивое (б) равновесие воздуха:

1 - кривая стратиф икации;

2 - кривая состояния

На аэрологической диаграмме площадь между кривой состояния и кривой страт ификации в случ ае положит ельной энергии неустойчивости закрашивается красным цветом, при отрицательной - синим цвет ом. Чем б ольше эта площ адь, тем больше неуст ойчивость или уст ойчивость атмосферы. Если в нижнем слое ат мосферы имеется неустойчивое состояние, а вы ше устойчивое, вертикальные д вижения возд уха будут развиваться лишь в нижнем неуст ойчивом слое.

Определение уровня конвекции. Как известно, уровнем конвекции называет ся высота, д о которой может распространяться восходящий воздушный поток. За этот уровень на АД принимается точка пересечения кривых стратификации и состояния (рис. 5.17).

Анализ и прогноз условий развития к онвективной облачности, ливней, гроз, бол танки. Известно, что мощно-кучевые и кучево-дождевые облака создают наиболее опасные условия для полетов. Если воздушная масса от исходного уровня и до больших высот стратифицирована неустойчиво (энергия неустойчивости положительна), то следует ожидать развит ия кучево-дождевы х или грозовых облаков. При этом необходимо, чтобы верш ина располагалась выш е изот ермы - 25°С. Нижнее основание эт их облаков располагается

вблизи уровня конденсации, верхняя граница - на высоте уровня конвекции. Чем вы ше уровень конвекции, т ем мощнее по вертикали облачность и т ем вероятнее развит ие кучево- дождевых (грозовых) облаков, с которыми связаны грозы, ливневые осадки, болт анка и обледенение воздушных судов. Если же э нергия неустойчивости отрицат ельная и занимает большую площадь, т о развития кучево-дождевой облачности ожидать не следует.

Для развития облачности большое значение имеет влагосодержание воздуха, о котором можно судить по взаимному расположению кривых т очек росы и страт ификации. Чем ближе они друг к другу, тем разность между температурой воздуха и точкой росы, т.е. д ефицит точки росы, меньше и образование облаков более вероятно; чем дальше друг от др уга, тем воздух суш е и меньше вероят ност ь образования об лаков. Для нижней половины тропосферы (до 5 км) при наличии облаков дефицит точки росы не превышает 2°С, а в верхней половине тропосферы дефицит точки росы может быт ь 3…4°С.

Оценка возм ожного обледенения воздушных судов. Для этого необходимо проанализировать т емперат уру возд уха в облаках и осадках , уч итывая сл едующие положения:

а) сильное обледенение наблюдает ся при т емпературах 0°С…- 10°С ; б) умеренное об леденение наблюдается при температурах - 11°С…- 20°С; в) слабое облед енение наблюдается при температуре - 21°С…- 30°С.

Определ ение сл оев инверсии и изотерм ии. Эт и слои определяются по наклону кривой ст ратификации. Если наблюдается рост температуры с высотой (кривая ст ратификации пересекает изотермы слева направо), то отмечается слой инверсии ( g < 0°С/100 м). Если же температ ур а возд уха с высот ой не изменяет ся (кривая стратификации параллельна изот ермам), то отмечает ся слой изот ермии (g = 0°С/100 м). Слои инверсии и изотермии являются задерживающими слоями. Они гасят вертикальные движения возд уха и препятст вуют переносу различных жидких и твердых частиц, имеющихся в атмосфере (облачных элементов, пыли, ядер конденсации и т.д .), в более высокие слои.

Определ ение положения тропопаузы, ее высоты, температуры и давления. Тропопауза определяет ся по наклону кривой стратификации. Она находится на высотах, где отмечает ся самая низкая температура воздуха. Значения температуры, давления и высоты отсчитываются у соответствующих изотерм и изобар.

Построение вспомогател ьной номограммы для расчета изменений потолк а или предел ьно допустимой высоты полета самолета за счет отклонения температуры от СА. Расчетная формула изменения потолка или предельно допустимой высоты полета самолет а рассмотрена в главе 3 и имеет вид

DН пд = - К (Т - Т ст ) = -КDТ , (3.25)

где: К - эмпирический коэффициент (для большинства самолетов равный 50 м/1°С), показывающий на сколько метров изменится пред ельно допустимая высот а полета самолета при изменении температуры возд уха на 1°С.

Т и Тст - фактическая и стандартная температура воздуха.

Пред ельно допустимая высота Нп р для каждого типа самолета при различных полет ных весах Gп ол в условиях СА указывается в руководствах по летной эксплуатации (таб л. 5.2).

Наряду с аналит ическим путем в практической работе оценка изменения предельно допустимой высоты может быт ь проведена графически по кривой ст ратификации атмосферы на АД . Для эт их целей на бланке АД необходимо построит ь вспомогательную номограмму. Построение номограммы производит ся следующим образом (рис. 5.19):

а) на линии распределения температ уры в СА на АД ставят точку ( А ), соответствующую Нп р

в условиях СА д ля одного из полет ных весов;

б ) задавая произвольное значение Dt , например, Dt ± 10°С, опред еляют соответст вующие значения Нпр и по ним находят еще две точки ( В, С );

в) по полученным трем т очкам ( А, В, С ) проводят прямую, которая отражает изменение Нпр ,

в зависимости от температуры для заданного полет ного веса;

г) параллельно построенной линии проводят прямые для других полетных весов через точки

Нпр в СА.

Номограмма позволяет рассчит ать Нп р по любым кривым стратификации, пост роенным на АД по д анным радиозондирования атмосферы.

Рис. 5.19. Номограмма для расчета предельно допустимой высоты полета

Таб лица 5.2. Зависимост ь предельно допустимой высоты полета самолета от полетного веса

Ил-62

Gпо л , т
Нпр , м

Ту-154

Gпол , т
Нпр , м

Ту-134

Gпол , т
Нпр , м

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

1. Что называется конвекцией?

2. Какие процессы приводят к образов анию конвекции?

3. Какие скорости вертикальных потоков наблюдаются при конв екции?

4. До каких высот развиваются конвективные токи воздуха?

5. Что называется в осходящим скольжением?

6. За счет чего образуется восходящее скольжение?

7. Какие скорости вертикальных дв ижений наблю даются при восходящем скольжении?

8. Что называется динамической турбулентностью ?

9. До каких высот наблюдается динамическая турбулентность?

10. За счет чего в озникаю т волновые движения?

11. Что называется адиабатическим процессом?

12. Каким образом изменяется температура с высотой в поднимающемся (опускаю щемся) сухом

(насыщенном) воздухе?

13. Что называется сухоадиабатическим (влажноадиабатическим) градиентом и чему он равен?

14. Что называется сухой (влажной) адиабатой?

15. Почему влажноадиабатический градиент меньше, чем сухоадиабатический?

16. Что называется уровнем конвекции (конденсации), от каких факторов и как зависит его высота?

17. Что называется кривой состояния?

18. Каким образом изменя ется температура воздуха у земной пов ерхности при изменении давления на

1 гПа?

19. Объяснить зависимость величины влажноадиабатического градиента от температуры и давления.

20. Каким образом зависят условия образования облаков от взаимного расположения уровней

конвекции и конденсации?

21. Дать характеристику неустойчивого (устойчив ого, безразличного) состояния атмосферы.

22. Какое влияние на в осходящие дв ижения оказывают слои инверсии и изотермии?

23. Какие виды АД используются в настоящее в ремя?

24. Какие изолинии нанесены на бланк АД?

25. Как определяется высота уровня конденсации (конвекции) на АД?

26. В чем заклю чается анализ и прогноз конвективной облачности?

27. Как определить энергию неустойчивости на АД?

28. Как определить высоту верхней и нижней границ облачности?

29. Как определить предельно допустимую в ысоту полета самолета в зависимости от изменения температуры воздуха?