способ определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности

Формула изобретения

Способ определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, отличающийся тем, что дополнительно измеряют приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности, по результатам измерений реализуют адиабатическую модель развития конвективного облака, в рамках которой облачный воздух поднимается с заданным шагом по шкале давления, и на каждом шаге подъема рассчитывают его температуру и высоту, сравнивают рассчитанную температуру с измеренной радиационной температурой теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и если Т_в Т_р, где Т_в - рассчитанное значение температуры облачного воздуха на данном шаге подъема, Т_р - измеренная радиационная температура теплового излучения, уходящего от верхней границы облачного покрова, то за высоту верхней границы кучево-дождевой облачности принимают рассчитанную на данном шаге высоту расположения облачного воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к метеорологии, а именно к методам оценки высоты расположения верхней границы кучево-дождевой облачности, и может быть использовано при метеорологическом обеспечении авиации и других отраслей экономики, а также для прогноза опасных метеорологических явлений и неблагоприятных условий погоды, связанных с кучево-дождевой облачностью.

Известен способ определения высоты верхней границы облачности, основанный на проведении радиолокационной разведки погоды. Сущность радиолокационной разведки заключается в активном зондировании атмосферы, в результате которого по параметрам радиоэхо оценивают некоторые характеристики облачности, в том числе и высоту верхней границы (Руководство по краткосрочным прогнозам погоды, ч.I. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. С.451-454). К недостаткам данного подхода можно отнести редкую сеть радиолокационных станций и существенную зависимость качества зондирования от состояния атмосферы между станцией и целью.

Известен способ определения высоты верхней границы облачности, базирующийся на осуществлении воздушной разведки погоды. Воздушная разведка погоды представляет собой реальный полет пилотируемого летательного аппарата с целью оценки некоторых параметров состояния атмосферы (Руководство по практическим работам метеорологических подразделений авиации Вооруженных Сил. - М.: Воениздат, 1992. С.343).

К недостаткам следует отнести дороговизну, сложность осуществления, нерегулярность воздушной разведки погоды. Поэтому такие данные, хоть и наиболее объективные, могут получаться и применяться при решении ограниченного числа задач метеорологического обеспечения.

Из известных наиболее близким является способ определения высоты верхней границы облачности (Патент на изобретение RU № 2323459 C2, G01W 1/00), заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли.

Недостатком данного способа является использование в решающем правиле эмпирического коэффициента, зависящего от среднего значения температуры воздуха у земли, который необходимо рассчитывать для каждого конкретного района.

Техническим результатом изобретения является расширение пространственных границ применимости способа определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности без уточнения эмпирического коэффициента.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности, заключающемся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, согласно изобретению дополнительно измеряют приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности, по результатам измерений реализуют адиабатическую модель развития конвективного облака, в рамках которой облачный воздух поднимается с заданным шагом по шкале давления, и на каждом шаге подъема рассчитывают его температуру и высоту, сравнивают рассчитанную температуру с измеренной радиационной температурой теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и если Т_в Т_р, где Т_в - рассчитанное значение температуры облачного воздуха на данном шаге подъема, Т_р - измеренная радиационная температура теплового излучения, уходящего от верхней границы облачного покрова, то за высоту верхней границы кучево-дождевой облачности принимают рассчитанную на данном шаге высоту расположения облачного воздуха.

Сущность изобретения.

Известно (Матвеев Л.Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. С.534-536), что согласно адиабатической модели развития конвективного облака единичный объем воздуха, поднимаясь под действием внешних сил вверх, сухоадиабатически охлаждается и на уровне конденсации достигает состояния насыщения, и соответственно образуется облачность. Данный уровень принято считать нижней границей облачности. Далее в результате выделения скрытой теплоты парообразования поднимающийся объем воздуха становится теплее окружающего. Его плотность уменьшается и на него действует сила Архимеда. Ее действие продолжается до тех пор, пока поднимающийся, уже влажноадиабатически, облачный воздух охладится до температуры окружающей атмосферы. Данный уровень называют уровнем конвекции и принимают за высоту верхней границы конвективной облачности.

Применение дополнительно данных о значениях приземного атмосферного давления и высоты нижней границы облачности позволяет реализовать указанную модель развития конвективного облака, использование которой дает возможность применять способ для различных районов без учета местных эмпирических коэффициентов.

Способ реализуется следующим образом. С помощью радиометра ИК-диапазона, установленного, например, на космическом аппарате метеорологического назначения, проводят измерения значений радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхней границы интересующего участка кучево-дождевой облачности. В этом же районе у поверхности земли проводят квазисинхронные измерения приземного атмосферного давления, температуры и высоты нижней границы облачности. Измерение давления и высоты нижней границы облачности может быть выполнено, например, с использованием ртутного барометра и светолокационного средства измерения высоты нижней границы облачности (Метеорологические измерения на аэродромах / Н.В.Бочарников [и др.]. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2008. С.200-202, 272).

Применяя полученные данные приземных метеорологических наблюдений, можно реализовать адиабатическую модель развития конвективного облака следующим образом. Согласно ей изменение состояния сухого воздуха, поднимающегося от поверхности земли до уровня конденсации, можно представить линейной зависимостью, что позволяет определить температуру воздуха и атмосферное давление на уровне конденсации, то есть на уровне нижней границы облачности (выражения (1) и (2) в Неижмак А.Н., Марчуков С.В. Способ расчета высоты верхней границы конвективной облачности: гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг (выпуск 1 часть 1): сб. статей. - Воронеж: ВАИУ, 2010. С.119-121).

Выше уровня конденсации воздух является влажным, насыщенным водяным паром и изменение его состояния описывается влажноадиабатическим законом. Благодаря выделению скрытой теплоты парообразования изменение состояния влажного насыщенного воздуха можно считать линейным только на небольших участках. Поэтому моделируют подъем облачного воздуха с заданным шагом (например 10 гПа) по шкале давления. На каждом шаге подъема рассчитывают высоту расположения и температуру облачного воздуха (выражения (4)-(7) в Неижмак А.Н., Марчуков С.В. Способ расчета высоты верхней границы конвективной облачности: гидрометеорологическое обеспечение. Экологическая безопасность и мониторинг (выпуск 1 часть 1): сб. статей. - Воронеж: ВАИУ, 2010. С.119-121). Когда его расчетная температура достигнет или станет ниже измеренной радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхней границы кучево-дождевой облачности, ход вычислений прекращают и исходя из высоты расположения облачного воздуха на последнем шаге подъема находят высоту верхней границы кучево-дождевой облачности.

По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет определять высоту верхней границы кучево-дождевой облачности в любом географическом районе без уточнения эмпирических коэффициентов по местным исходным данным.