Determination of in-flight icing zones in the southeast of Western Siberia.pdf Введение Совершенствование транспортной системы Томской области, создание регулярных сообщений внутри региона невозможны без ускоренного развития воздушного транспорта, в том числе малой авиации. Данное обстоятельство предполагает предоставление аэронавигационным службам качественной и детальной информации о метеорологических условиях, в том числе опасных для авиации явлений и их прогноза. Глобальный аэронавигационный план ИКАО (International Civil Aviation Organization -ICAO), сформулированный на период до 2028 г. [Global Air Navigation Plan., 2013], предусматривает в будущем полную автоматизацию обеспечения метеорологической информацией в любой точке на любой высоте в каждый момент времени. Для этого предполагается усовершенствование сверхкраткосрочного прогнозирования и наукастинга, использование численного прогноза, дистанционных измерений (радаров и спутников), данных частой сети наземных станций, самолетных измерений и передачи метеорологической информации с бортов [Bernstein, 2005; Шакина, Иванова, 2016; Kalinka et al., 2017]. Одним из наиболее опасных явлений для авиации является отложение льда на поверхности воздушного судна (ВС) во время полета. При обледенении фиксируются потеря подъемной силы, снижение скорости полета и, в некоторых случаях, полного контроля над ВС. Все это может привести к авиационным происшествиям, в том числе с человеческими жертвами [Авиационные происшествия., 2020]. Изучению обледенения всегда уделялось повышенное внимание как в России, так и за рубежом [Schultz, Politovich, 1992; Vivekanandan et al., 1999; Smith et al., 2002; Шакина, Иванова, 2016]. Климатические и погодные условия юга Западной Сибири, а именно наблюдаемые сочетания температуры и влажности воздуха, облачности и переохлажденных осадков, способствуют высокой вероятности возникновения обледенения в пограничном слое атмосферы. В этой связи изучение особенностей обледенения воздушных судов и разработка методов их диагноза и прогноза являются актуальной задачей для обеспечения безопасного взлета и посадки на аэродромах Томской области. В рамках решения этой задачи в Томском государственном университете разработан и апробирован алгоритм прогноза обледенения с заблаговременностью до 36 ч на основе данных гидродинамического моделирования [Sitnikov et al., 2015; Volkova et al., 2016]. Для реализации алгоритма использовалась мезомасштабная метеорологическая модель TSU-NM3 [Старченко и др., 2019]. Кроме того, для территории Томского аэропорта предложен дистанционный метод мониторинга и прогноза обледенения ВС с использованием данных измерений метеорологического температурного профилемера MTP-5PE, универсальной метеостанции Vaisala WXT520 и АМИС-РФ [Зуев и др., 2015] с высоким пространственно-временным разрешением, которое невозможно достигнуть методами радиозондирования. В настоящей работе акцент сделан на использовании доступной спутниковой информации для обнаружения обледенения, подробном анализе метеорологических условий, синоптических © М.А. Волкова, И.В. Кужевская, Н.К. Барашкова, О.Е. Нечепуренко, К.Н. Пустовалов, В.В. Чурсин, 2021 DOI: 10.17223/25421379/21/8 процессов. Исследовательская работа в подобном ключе проводится для данной территории впервые. С целью увеличения успешности использования представленных разработок и дальнейшего развития методических основ диагноза и прогноза обледенения в настоящей статье продемонстрированы возможности привлечения спутниковой информации для обнаружения фактических и потенциальных зон обледенения в районе международного аэропорта Томск (Богашёво). Аэродром относится к зоне ответственности Новосибирского укрупненного центра Единой системы организации воздушного движения [Инструкция..., 2018], а над его районом проходят воздушные трассы всех типов (международные, региональные, внутренние). Материал и методы исследования Для диагноза и прогноза обледенения воздушных судов с начала 1990-х гг. используется информация с геостационарных и полярно-орбитальных метеорологических спутников, особенно активно в США и Европе. Экспертные системы по обледенению, такие как ADWICE (DLR, Deutscher Wetterdienst и IMuK) [Kalinka et al., 2017], SIGMA (Meteo France) [Le Bot, 2003] и CIP/FIP (NCAR) [Bernstein, et al., 2005] адаптированы к региону, для которого они применяются. Система CIP/FIP (США) построена на двух перекрестных геостационарных спутниках GOES, которые предоставляют информацию с частотой 530 мин. Разработка аналогичных продуктов для диагностики и прогноза обледенения с использованием спутниковых данных ведется и для территории РФ [Волкова и др., 2015; Чукин и др., 2015]. Для европейской территории России разработан и внедрен специализированный программный комплекс (SCP), который в автоматическом режиме круглогодично попиксельно классифицирует данные SEVIRI/Meteosat-10 и AVHRR/NOAA для извлечения характеристик облачности, осадков и погодных условий над поверхностью земли, воды и снега/льда. SCP определяет тип осадков на поверхности земли (13 классов) и опасные явления погоды (гроза, град и обледенение (вероятность/интенсивность)), температуру и высоту верхней границы облаков, мгновенную максимальную интенсивность осадков (Imax, мм/ч) и др. Для территории Западной Сибири в настоящее время оперативные гидрометеорологические данные поступают с геостационарного спутника «Электро-Л» № 3, выведенного на орбиту в декабре 2019 г.; мониторинг ведется в трех каналах видимого диапазона и одном тепловом. Информации, необходимой для диагностики влагосодержания и, в частности, выделения переохлажденной воды, пока в выходной продукции не представлено. Поэтому в данной статье использовалась доступная над исследуемой территорией информация с полярно-орбитальных спутников. В работе продукты MOD021КМ и ATML2 использованы для диагноза текущих условий, благоприятных для обледенения. Для этого применен принцип синтезирования изображения для анализа микрофизики по методике Европейского космического агентства. На основе данных ATOVS были восстановлены температурно-влажностные профили. Материалом исследования послужили данные бортовой погоды (PIREPs) в районе аэродрома Томск (в радиусе 150-200 км) за период с 2011 по 2018 г. и сводки кода METAR о фактической погоде на аэродроме. Для оценки пространственновременной структуры зон обледенения с использованием спутникового зондирования привлекались данные спектральных каналов 0,8; 3,9 и 11,03 мкм (водяной пар в атмосфере и температура земной поверхности и облаков) спектрорадиометров MODIS (продукт MOD021КМ) и продукт второго уровня ATML2, который содержит наборы комбинаций спектральных каналов, отражающих значения ключевых параметров облачности, в частности, интегральное содержание воды (CWP) в облаке. Работа со спутниковыми изображениями проводилась с использованием программного обеспечения VISAT (https://earth.esa.int/web/sentinel/-/beam) на платформе BEAM. Для трехмерной пространственной оценки обледенения использовались профили температуры и удельной влажности радиометров ATOVS, обработанные c помощью авторских алгоритмов, реализованных в MATLAB для отдельно выбранных случаев. Из 42 возможных уровней вдоль профиля зондирования в исследовании использованы 10 нижних уровней от поверхности земли до высоты 500 гПа в узлах сетки с разрешением 1,25 х 1,25°. Согласно данным [Щукин и др., 2013], точность восстановления метеорологических данных радиометра ATOVS составляет: для удельной влажности 1 г/кг, температуры воздуха 1 °С. Подобная точность соответствует требованиям Всемирной метеорологической организации к спутниковому зондированию [Руководство., 2018] и сопоставима с погрешностью измерений метеопараметров аэрологическими радиозондами, а значит, подходит для использования при составлении физико-статистических прогнозов. Результаты и обсуждение За период 2011-2018 гг., по данным бортовой погоды, было зафиксировано 315 дней/392 случая с обледенением. Наибольшее число случаев наблюдалось с октября по декабрь - в среднем по 6-7 дней в месяц (8-9 случаев), с максимальным количеством в декабре 2015 г. (14 дней/17 случаев). Чаще всего отмечалось обледенение умеренной (52 %) и слабой (42 %) интенсивности. Дни с сильным обледенением регистрировались с октября по май с максимумом в ноябре (8 случаев). Более чем в половине случаев обледенение отмечалось в слоях толщиной до 1 000 м, лишь в одной четверти она превышала 1 500 м, в отдельных случаях достигала более 3500 м (таблица). Нижняя граница слоя в 75 % случаев фиксировалась от подстилающей поверхности до 1 500 м, в некоторых случаях обледенение наблюдалось от 3 000 м и выше. Самый высокий слой с умеренным обледенением (до 8 000 м) был зафиксирован 22.07.2015 г., самый мощный по вертикали (5 900 м) - 5.09.2012 г. Повторяемость толщины слоя обледенения в зависимости от его нижней границы, % Repeatability of thickness of icing layer depending on its lower boundary, % Толщина слоя, м Нижняя граница слоя обледенения, м Итого 0-500 600-1 000 1 100-1 500 1 600-2 000 2 100-2 500 2 600-3 000 3 100-3 500 0-500 10,3 3,9 6,3 3,0 1,0 0,5 0 25,0 600-1 000 9,4 11,8 4,4 5,4 2,0 1,0 0 34,0 1 100-1 500 6,4 4,9 2,0 1,5 0,5 2,4 1,5 19,1 1 600-2 000 3,9 3,0 1,0 0 0 0 0 7,9 2 100-2 500 1,5 2,0 1,0 0 1,0 0,5 0 6,0 2 600-3 000 2,5 0,5 0 0,5 0 0 0 3,5 3 100-3 500 1,5 0,5 0 1 0 0 0 3,0 >3 600 1,0 0 0 0 0 0 0,5 1,5 Итого 36,5 26,6 14,7 11,3 4,5 4,4 2,0 100 Обледенение самолетов возникает при наличии комплекса метеорологических характеристик, из которых наибольшее значение имеют водность и спектр размеров капель облака. Вероятность умеренного и сильного обледенения существенно зависит от содержания жидкой воды в облаке и несколько различается в зависимости от формы облаков. Наибольшей водностью обладают хорошо развитые кучевые и кучево-дождевые облака (Си cong., Cb), образующиеся в результате значительных восходящих конвективных движений воздуха; вероятность обледенения в них значительно больше, чем в облаках других формах. Проведенное исследование показало, что обледенение в большинстве случаев (62 %) сопровождалось различными видами атмосферных явлений, преимущественно осадками (снег, ливневый снег, дождь, ливневый дождь, морось, переохлажденная морось, снежные зерна), а также переохлажденным туманом и дымкой. Осадки в 75 % случаев выпадали в виде ливневых снега или дождя. Анализ синоптических процессов, способствовавших формированию зон с обледенением, показал, что более половины случаев обледенения разной интенсивности наблюдалось при прохождении атмосферных фронтов, и одна треть случаев может быть отнесена к внутримассовой облачности. Около 24 % случаев пришлось на фронты окклюзии, 35 % - на холодные фронты и 41 % - на теплые. Полученное распределение повторяемости относительно типов фронтов, в целом, согласуется с ранее полученными результатами авторов [Шакина, Иванова, 2016], но следует отметить на юго-востоке Западной Сибири большую повторяемость обледенения на облачных системах теплых фронтов (на 7 %) и фронтов окклюзии (на 5 %), уменьшение доли холодных фронтов (на 8 %). Случаи с сильной интенсивностью обледенения связаны исключительно с фронтальной облачностью. Обледенение, преимущественно слабое, отмечалось в однородных воздушных массах, из них в 20 % случаев - в антициклональном поле и барических гребнях. Далее рассмотрен пример возможного комплексного использования методик обнаружения зон обледенения на территории юго-востока Западной Сибири (в районе аэродрома Томск) за 5-6 января 2017 г. По данным бортовой погоды, в 23:54 UTC 4 января было зафиксировано умеренное обледенение в слое 1 0003 700 м, которое перешло в сильное с 00:00 UTC 5 января и продолжалось до 00:52 UTC 6 января. Метеорологические и синоптические условия образования обледенения в первой декаде января 2017 г. сложились в результате активизации циклонической деятельности и выхода южных циклонов на фоне ослабления Сибирского антициклона. В рассматриваемый период наблюдались ливневой снег различной интенсивности, поземка и метели с порывами ветра до 1517 м/с южного и юго-западного направлений, отмечалось ухудшение видимости до 400 м. Синоптические условия 5 января определялись прохождением фронта окклюзии и наличием преимущественно кучевых форм облачности (Cb, Sc, Frnb, Ac). Для определения пространственной локализации полей облачности с наблюдавшимися и потенциальными зонами обледенения и оценки содержания воды любого фазового состояния было составлено цветосинтезированное изображение (рис. 1) по данным продукта MOD021KM. Синтезирование изображения для анализа микрофизики облаков в каналах 0,8; 3,9; 11,03 мкм позволяет распознавать сверхохлажденные капельные облака и обеспечивает хороший цветовой контраст между облаками с малыми каплями воды и снегом на земной поверхности (http://eumetrain.org). Канал 0,8 мкм отражает оптическую плотность облаков. На длине волны 3,9 мкм капли воды отражают больше солнечной радиации, чем кристаллы льда, т.е. сигнал сильно зависит от фазы облаков и размера частниц (большие капли воды или кристаллы льда отражают меньше солнечной радиации, чем малые капли воды или кристаллы льда). Температура земной поверхности и верхней границы облаков содержится в канале 11,03 мкм. На рис. 1 хорошо прослеживается выраженная валовая (грядовая) структура облачности преимущественно кучево-дождевых и слоисто-кучевых форм облачности с высокой водностью. В районе аэродрома Томск, где наблюдалось обледенение, располагаются оптически плотные кристаллические облака, с кристаллами льда малых размеров на верхней границе облачности и оптически плотные капельные облака нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц малых размеров. оптически плотные облака, состоящие из кристаллов льда больших размеров оптически плотные облака, состоящие из кристаллов льда малых размеров на верхней границе снег и лёд на земной поверхности полупрозрачные кристаллические облака * оптически плотные капельные облака нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц больших размеров оптически плотные капельные облака нижнего и среднего ярусов, состоящие из частиц малых размеров земля, свободная от облаков Рис. 1. Цветосинтезированное изображение (0,8; 3,9; 11,03 мкм) для анализа микрофизики облаков в дневное время: 5 января 2017 г. 04:55 UTC. Координаты Томска - 56,5° с.ш., 84,92° в.д. Fig. 1. A false-color image (0.8; 3.9; 11.03 gm) presented a cloud microphysics analysis (daytime) on January, 5, 2017 at 04:55 UTC. Tomsk coordinates - 56.5N, 84.92E Интегральное содержание облачной влаги (в г/м2), которое выражает содержание жидкой воды или льда в вертикальном столбе единичного сечения от основания до вершины облака, доступно для анализа из продукта MODATML2 спектрорадиометра MODIS/Terra | MODIS..., 2019]. Значения интегрального содержания облачной влаги в 06:35 ВСВ за 05.01.2017 г. имеют высокую степень очаговости, характерную для слоисто-кучевой облачности с вкраплениями кучево-дождевой, которая обнаруживается при значениях свыше 1 500 г/м2. При использовании данных спектрорадиометра MODIS, согласно ATML2 |Joint..., 2019], наиболее точными являются измерения при отсутствии облачности или при наличии разрывов в плотном слое облаков и т. д. В то же время в работе |Щукин и др., 2013] показана возможность применения радиометров для проведения непрерывных измерений и при других метеоусловиях, в частности при внутримассовой облачности. Применение продукта ATML2 целесообразно в качестве вспомогательного источника информации. В связи с этим более результативным будет использование данных системы микроволнового зондирования, которые не зависят от облачности. В настоящее время Центром спутниковых приложений и исследований NOAA/NESDIS (STAR) разработан программный комплекс MIRS |Microwave., 2016]. Комплекс предназначен для восстановления вертикальных профилей, входными данными являются микроволновые измерения приборов AMSU/MHS космических аппаратов (КА) серии NOAA, MetOp и прибора ATMS КА Suomi NPP. Поскольку программный комплекс находится в стадии усовершенствования, в настоящей работе использованы доступные данные зондирования ATOVS, точность которых подтверждена в большом количестве публикаций. a Рис. 2. Пространственная зона обледенения (голубой цвет), по данным ATOVS, на основе алгоритма К. Годске. Время пролета - 07:34 UTC за 05.01.2017 г. a - вертикальный разрез зоны обледенения вдоль 86° в.д.; b - границы горизонтальной зоны обледенения на уровне 850 гПа Fig. 2. Spatial icing zone (cyan color) computed with the Godske formula, ATOVS data. The pass time is 07:34 UTC, 05.01.2017: a - vertical section of the icing zone along 86 E; b - boundaries of the horizontal icing zone at 850 hPa a mm/min 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 Longitude (Е) Рис. 3. Карта-схема распределения интенсивности обледенения (I) при заданных параметрах: суммарный (интегральный) коэффициент захвата 0,25; плотность льда 0,9 г/см3; скорость полета 250 км/ч. Время пролета - 07:34 ВСВ за 05.01.2017 г. a - изолинии I на изобарической поверхности 1 000 гПа; b - трехмерное распределение I b mm/min 55 80 Fig. 3. Map-scheme of icing intensity distribution (I) at given parameters: total (integral) capture coefficient 0,25; ice density 0,9 g/cm3; flight speed 250 km/h. The pass time over study area is 07:34 UTC, 05.01.2017: a - I isolines at 1000 hPa; b - 3D-distribution of I Преимущество данных, на основе которых восстанавливают вертикальные профили метеопараметров, заключается в том, что с их помощью возможно адаптировать существующие методики, разработанные в свое время для аэрологического зондирования. Профили температуры и влагосодержания не только в пограничном слое, но и во всей толще тропосферы применимы для составления сверхкраткосрочного прогноза зон обледенения с использованием существующих физико-статистических закономерностей, например, метода К. Годске [Руководство..., 1985], основанного на формуле T

Скачать электронную версию публикации