Оценка влияния особенностей температурного режима в пограничном слое атмосферы на безопасность полетов
Оценка влияния особенностей температурного режима в пограничном слое атмосферы на безопасность полетов
Аннотация
В статье рассматривается влияние особенностей температурного режима пограничного слоя атмосферы на безопасность полетов воздушных судов на этапе взлета и первоначального набора высоты. На основе данных температурно-ветрового радиозондирования за 2024 год выполнен анализ повторяемости приземных и приподнятых температурных инверсий в районах аэропортов городов Санкт-Петербург, Петрозаводск и Екатеринбург. Рассчитаны основные характеристики инверсионных слоев: вертикальная мощность, глубина инверсии и вертикальный градиент температуры. Отдельное внимание уделено оценке влияния температурной стратификации нижнего слоя атмосферы на угол подъема самолета SSJ-100 на этапе первоначального набора высоты.
1. Введение
Несмотря на развитие гражданской авиации, проблема обеспечения безопасности полетов, в частности, метеорологического обеспечения полетов, остается актуальной. Одним из факторов, определяющих метеорологические условия полетов, оказывающих прямое влияние на летные характеристики воздушных судов (ВС), является температурный режим пограничного слоя атмосферы. В стандартных условиях температура с высотой падает с градиентом 0,65°C на 100 метров . В реальной атмосфере температура с высотой может не только уменьшаться, но и увеличиваться (инверсия) или не изменяться (изотермия) .
Инверсионные слои, наряду с изотермией, представляют собой слои атмосферы, которые ослабляют турбулентное перемешивание и препятствуют вертикальному обмену воздуха , а также могут повлиять на условия пилотирования ВС, особенно на критических этапах полета, таких как взлет и заход на посадку .
Условия формирования температурных инверсий и их характеристики достаточно хорошо представлены в литературных источниках , . В то же время практически отсутствуют прикладные исследования, направленные на оценку влияния инверсий на эксплуатационные характеристики полетов ВС в конкретных географических районах. В настоящей работе авторами на основе обработки и анализа статистических данных температурно-ветрового радиозондирования рассчитаны повторяемость инверсий по трем аэродромам (Екатеринбург, Санкт-Петербург, Петрозаводск) и выполнена оценка их влияния на безопасность полетов ВС на этапе взлета.
2. Температурные инверсии
Различают три вида инверсий: приземные, приподнятые и высотные. Приземные инверсии начинаются непосредственно от подстилающей поверхности. Приподнятые инверсии расположены на некоторой высоте от поверхности земли (обычно от десятков до сотен метров). Высотные инверсии формируются в свободной атмосфере, как правило, выше пограничного слоя.
Повторяемость инверсий обладает четко выраженным годовым ходом и зависит от широты места , . В умеренных широтах зимой, когда выхолаживание материков приводит к формированию мощных континентальных антициклонов, инверсии наблюдаются наиболее часто и достигают максимальной мощности . Вертикальная мощность (протяженность) инверсий в таких антициклонах может составлять несколько километров, особенно в том случае, когда радиационная инверсия и инверсия оседания образуют единый задерживающий слой. Среднегодовая повторяемость приземных инверсий увеличивается с запада на восток, а их мощность и интенсивность максимальны в зимний период в континентальных районах. Повторяемость же приподнятых инверсий часто связана с центрами антициклонов .
Одним из факторов, определяющих метеорологические условия полетов, оказывающих прямое влияние на летные характеристики воздушных судов (ВС), является температурный режим пограничного слоя атмосферы. При повышении температуры с высотой на этапе взлета происходит снижение тяги двигателей и скороподъемности. Поэтому для восстановления потребной скорости на заданной высоте экипажу необходимо увеличивать мощность работы двигателей. Снижение вертикальной скорости набора высоты при увеличении температуры на 10° может достигать 10–15% .
Кроме того, приземные и приподнятые инверсии способствуют формированию сложных условий и опасных явлений погоды для выполнения полетов, таких как:
- Ухудшение видимости и формирование низкой облачности. Под слоем инверсии скапливаются продукты конденсации и аэрозоли. Это приводит к образованию слоистых (St) и слоисто-кучевых (Sc) облаков, а также адвективных туманов .
- Вероятность обледенения. Инверсии создают благоприятные условия для обледенения. Максимальная вероятность обледенения ВС наблюдается в диапазоне температур от -5 до -10 °С и высокой относительной влажности (более 85%) .
- Сдвиг ветра. Значительные сдвиги ветра, влияющие на безопасность полетов, наблюдаются, как правило, при пересечении воздушным судном верхней границы инверсии при взлете и посадке .
3. Методология и результаты расчетов
Исходными данными для анализа температурного режима послужил архив радиозондирования атмосферы Университета Вайоминга (University of Wyoming) за 2024 год . Использовались данные аэрологических станций Санкт-Петербурга (WMO 26075), Петрозаводск (WMO 22820) и Верхнее Дуброво (WMO 28445) за стандартные сроки зондирования 00:00 и 12:00 UTC.
На основе собранных данных был произведен расчет повторяемости инверсий по сезонам в дневное и ночное время по рассматриваемым аэропортам. Расчет производился для приземных и приподнятых инверсий по времени суток раздельно. Результаты расчетов представлены на рисунке 1.
Повторяемость приземных инверсий
Приземные инверсии в дневное время суток наблюдаются редко (повторяемость менее 4%), а в отдельные месяцы отсутствуют полностью.
Максимальная повторяемость приподнятых инверсий также отмечается в холодный период года (см. рис. 2), что может быть связано с преобладанием антициклональной погоды, способствующей формированию устойчивых инверсионных слоев.
Повторяемость приподнятых инверсий
Показателями, характеризующими потенциальную опасность инверсионного слоя для выполнения полетов, являются вертикальный градиент температуры γ, определяющий интенсивность изменения плотности воздуха с высотой, и мощность инверсии ΔH.
Для всех случаев инверсии, как приземных, так и приподнятых, определялись следующие параметры: мощность инверсионного слоя:
где ∆H — мощность инверсионного слоя, м;
Hв — верхняя граница инверсии, м;
Hн — нижняя граница инверсии, м;
глубина инверсии (разность температур на границах слоя):
где ∆T — глубина инверсии, °C;
Tв — температура на верхней границе инверсии, °C;
Tн — температура на нижней границе инверсии, °C;
вертикальный градиент температуры в слое инверсии:
где γ — вертикальный градиент температуры, °C/100 м.
Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Количество (число случаев) инверсий в зависимости от мощности, градиента температуры и времени суток по аэродромам Пулково, Петрозаводск и Кольцово
Пункт | Время суток | γ, °C/100 м \ ΔH, м | Мощность ∆H, м | Всего | |||||
0–50 | 50–100 | 100–200 | 200–300 | 300–500 | >500 | ||||
Пулково | День | 0–1 | 1 | 13 | 43 | 58 | 48 | 36 | 199 |
1–2 | - | 9 | 21 | 12 | 7 | 2 | 51 | ||
2–3 | 1 | 5 | 8 | 2 | 3 | - | 19 | ||
3–4 | - | - | - | 1 | - | - | 1 | ||
4–5 | 1 | - | - | - | - | - | 1 | ||
5–6 | 1 | - | 1 | - | - | - | 2 | ||
>6 | 1 | - | - | - | - | - | 1 | ||
Всего | - | - | - | - | - | - | 274 | ||
Ночь | 0–1 | 3 | 14 | 64 | 47 | 72 | 49 | 249 | |
1–2 | 2 | 10 | 27 | 54 | 25 | 3 | 121 | ||
2–3 | - | 4 | 19 | 16 | 4 | 1 | 44 | ||
3–4 | - | - | 3 | 1 | - | - | 4 | ||
4–5 | - | - | 1 | - | - | - | 1 | ||
5–6 | - | 1 | - | - | - | - | 1 | ||
>6 | - | - | - | - | - | - | - | ||
Всего | - | - | - | - | - | - | 420 | ||
Петрозаводск | День
| 0–1 | 2 | 13 | 38 | 48 | 48 | 30 | 179 |
1–2 | 3 | 5 | 35 | 17 | 9 | 4 | 73 | ||
2–3 | 2 | 6 | 13 | 2 | 2 | - | 25 | ||
3–4 | 3 | 3 | 1 | - | 1 | - | 8 | ||
4–5 | - | - | 4 | - | - | - | 4 | ||
5–6 | - | 1 | - | - | - | - | 1 | ||
>6 | 3 | 2 | 1 | - | - | - | 6 | ||
Всего | - | - | - | - | - | - | 296 | ||
Ночь | 0–1 | 1 | 16 | 47 | 56 | 55 | 42 | 217 | |
1–2 | 3 | 24 | 49 | 23 | 12 | - | 111 | ||
2–3 | 6 | 14 | 23 | 7 | 2 | 1 | 53 | ||
3–4 | 1 | 5 | 7 | 2 | - | - | 15 | ||
4–5 | 3 | 5 | 2 | 4 | - | - | 14 | ||
5–6 | - | 2 | 5 | 1 | - | - | 8 | ||
>6 | 7 | 10 | 4 | - | - | - | 21 | ||
Всего | - | - | - | - | - | - | 439 | ||
Кольцово | День
| 0–1 | 10 | 16 | 46 | 41 | 32 | 10 | 155 |
1–2 | 9 | 11 | 29 | 25 | 22 | 9 | 105 | ||
2–3 | 4 | 4 | 7 | 1 | 1 | - | 17 | ||
3–4 | 3 | 2 | 1 | - | - | - | 6 | ||
4–5 | 1 | - | - | - | - | - | 1 | ||
5–6 | - | - | - | - | - | - | - | ||
>6 | 1 | - | - | - | - | - | 1 | ||
Всего | - | - | - | - | - | - | 285 | ||
Ночь | 0–1 | 4 | 5 | 53 | 54 | 61 | 21 | 198 | |
1–2 | 10 | 19 | 41 | 62 | 53 | 9 | 194 | ||
2–3 | 5 | 6 | 27 | 11 | 8 | - | 57 | ||
3–4 | 11 | 13 | 3 | - | - | - | 27 | ||
4–5 | 6 | 2 | 3 | - | - | - | 11 | ||
5–6 | 3 | - | 1 | - | - | - | 4 | ||
>6 | 6 | 1 | - | - | - | - | 7 | ||
Всего | - | - | - | - | - | - | 498 | ||
Из таблицы следует, что в Санкт-Петербурге как в дневное, так и в ночное время преобладали инверсии с градиентами γ < 2 °C/100 м. В дневные часы на их долю приходится 250 случаев из 274 (91,2%), в ночные — 370 из 421 (87,9%). При этом мощность таких инверсий варьируется в широких пределах — от 50 до более чем 500 м, с максимумом повторяемости в диапазоне 100–300 м. Инверсии с градиентом выше 3 °C/100 м отмечались редко: 5 случаев днем (1,8%) и 6 ночью (1,4%). Все они имели мощность менее 200 м. В ночные часы не зафиксировано ни одной инверсии с градиентом выше 6 °C/100 м, а в дневное время — 1 случай.
В Петрозаводске наблюдалось значительное количество инверсий с более высокими значениями градиента. В дневные часы зафиксировано 19 случаев инверсий с градиентом выше 3 °C/100 м, в ночные — 58 случаев. При этом в ночные часы из 58 инверсий с γ > 3 °C/100 м 48 имеют мощность менее 200 м. Инверсии с градиентом выше 6 °C/100 м отмечены в 21 случае ночью и в 6 случаях днем; все они имеют мощность менее 200 м, из них 17 — менее 100 м.
В Екатеринбурге отмечается повышенная по сравнению с другими пунктами доля инверсий с градиентом от 1 до 4 °C/100 м при мощности до 100 м. Также Екатеринбург отличается значительной долей инверсий с мощностью более 200 м: 177 случаев ночью против 112 в Петрозаводске. Инверсии с градиентом выше 6 °C/100 м отмечены в 7 случаях ночью и в 1 случае днем; все они имеют мощность менее 100 м.
Общей закономерностью для всех трех пунктов является преобладание ночных инверсий над дневными. Отношение числа ночных инверсий к дневным составляет 1,54 для Санкт-Петербурга, 1,48 для Петрозаводска и 1,75 для Екатеринбурга.
4. Влияние температурных инверсий на угол набора высоты воздушного судна SSJ-100
Температура воздуха у земли и характер ее изменения с высотой влияют на летно-технические характеристики, как было описано выше. Далее в настоящем исследовании рассмотрено влияние температурной инверсии при различной температуре воздуха у земли на изменение располагаемой тяги и угла подъема самолета SSJ-100 на участке полета от достижения скорости V2 (минимальная скорость, которую самолет должен набрать после отрыва от взлетно-посадочной полосы) до высоты 240 метров. Высота 240 м (800 футов) выбрана в качестве расчетной, поскольку она является стандартной высотой начала уменьшения режима работы двигателей (thrust reduction height) при выполнении процедур NADP 1 (Noise Abatement Departure Procedure) в большинстве российских авиакомпаний. Кроме того, эта высота соответствует верхней границе этапа первоначального набора высоты, на котором запас по градиенту критичен для безопасного пролета препятствий в зоне взлета.
Набор высоты — равномерное и прямолинейное движение самолета вверх по траектории, наклонной к горизонту. Угол, заключенный между траекторией набора высоты и линией горизонта, называется углом подъема q. Для того чтобы набор происходил с постоянной скоростью, необходимо обеспечить равенство сил вдоль траектории набора.
Так как при установившемся движении самолета силы и моменты уравновешены, то можно считать, что все силы расположены в центре тяжести самолета. Условием прямолинейности набора высоты является равенство:
где Ya — подъемная сила;
mg — вес самолета;
θ — угол подъема.
Для того чтобы набор происходил с постоянной скоростью, необходимо обеспечить равенство сил вдоль траектории набора, а именно:
где P — сила тяги, Н;
Xa — лобовое сопротивление, Н;
θ — угол подъема, °;
Vн — скорость набора высоты, м/с.
Из уравнения (5) получим формулу для определения угла подъема:
где ∆P — избыток тяги, Н.
Угол подъема зависит от избытка тяги и веса самолета. При заданной приборной скорости полета лобовое сопротивление не зависит от высоты и температуры. При повышении температуры потребная тяга остается постоянной, а располагаемая тяга уменьшается.
Для иллюстрации влияния инверсионных слоев на характеристики набора высоты были отобраны три случая, зафиксированных в исследуемых пунктах. Каждый случай представляет собой инверсию с большим значением глубины, наблюдавшуюся на соответствующем аэродроме за исследуемый период и изображен на рисунках 3 и 4.
Профили температуры для трех характерных случаев температурных инверсий
Профили угла подъема SSJ-100 для трех характерных случаев температурных инверсий
В Санкт-Петербурге 14.06.2024 в 00:00 UTC (UTC) была зафиксирована приземная инверсия с глубиной ∆T = 6,4 °C, мощность инверсионного слоя составила 302 м, температура у земли +10,4 °C. На участке до 170 м угол подъема выше стандартного за счет отрицательного отклонения температуры от МСА. Однако по мере набора высоты температура в инверсии растет, и к высоте 240 м угол подъема станет меньше стандартного на 0,18°.
В Кольцово 13.06.2024 в 00:00 UTC наблюдалась приземная инверсия мощностью 240 м с глубиной ∆T = 5,8 °C. Нижняя граница инверсии располагалась на уровне земли, температура составляла +19,0 °C. В отличие от двух предыдущих случаев, в Кольцово угол подъема был меньше стандартного с самого начала траектории вследствие высокой температуры у земли. По мере набора высоты температура в инверсии продолжала расти, достигая +24,8 °C на высоте 240 м, что на 11,4 °C выше стандартного значения. На высоте 240 м угол подъема составил 13,89° против 14,2° в МСА — меньше на 0,31°. Снижение угла подъема происходило плавно по всей траектории, без резких скачков, что объясняется однородностью инверсионного слоя.
5. Заключение
Проведенное исследование показало, что температурные инверсии в нижнем слое атмосферы являются характерной особенностью температурного режима пограничного слоя атмосферы в районах рассматриваемых аэродромов. Во всех трех пунктах — Санкт-Петербург, Петрозаводск и Екатеринбург — инверсии чаще наблюдались в ночное время и в холодный период года, что связано с радиационным выхолаживанием подстилающей поверхности и влиянием антициклонов, что приводит к формированию более устойчивой стратификации атмосферы.
Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что преимущественное большинство инверсий характеризуются вертикальным градиентом температуры до 2°C/100 м. Инверсии с большими градиентами встречаются реже и, как правило, отличаются небольшой вертикальной мощностью. Поэтому при оценке их влияния на безопасность полетов необходимо учитывать не только величину градиента температуры, но и мощность инверсионного слоя, его высотное положение, а также отклонение фактической температуры от стандартных значений.
Расчет характеристик первоначального набора высоты самолета SSJ-100 показал, что наиболее заметное влияние инверсий проявляется в тех случаях, когда повышение температуры с высотой сохраняется в пределах значительной части рассматриваемого слоя. Так, в случае Кольцово сочетание приземной инверсии и температуры у земли выше МСА привело к снижению расчетного угла подъема на высоте 240 м с 14,2° в стандартной атмосфере до 13,89°.
Таким образом, температурные инверсии следует рассматривать как один из метеорологических факторов, способных влиять на характеристики взлета и первоначального набора высоты. Наибольшую значимость для выполнения полетов имеют инверсии, расположенные в нижнем 300-метровом слое атмосферы при температурах выше, чем в стандартных условиях. Полученные результаты могут быть использованы при оценке влияния температурного режима пограничного слоя атмосферы на параметры взлета и в целом на безопасность полетов.