Облака и осадки

Вернемся теперь к вопросу  о том, что же реально измеряет светодальномерный измеритель. При  отражении сигнала от оптически  плотных облаков форма фронта сигнала достаточно точно повторяет  форму фронта сигнала, отраженного  от твердого предмета. Следовательно, в этом случае можно утверждать, что измеритель как дальномерное устройство измеряет высоту до воображаемой отметки, на которой оптический луч  отражается, как от твердого отражателя. Другими словами, если бы можно было поместить на измеренную высоту твердый  отражатель, то результат был бы таким же.

Точно так же можно трактовать результат измерения в условиях размытой оптическими помехами границы  облака или при измерении вертикальной видимости. Уменьшение крутизны фронта сигнала по сравнению с крутизной  фронта при отражении от твердого предмета будет сказываться на увеличении погрешности измерения. Но не будем  останавливаться на деталях.

Итак, в результате измерения  получено значение высоты, на которой  световой луч отражается от атмосферного объекта, как от твердого предмета. Зададимся вопросом: существует ли связь этого значения со значением  высоты слоя с пороговым значением  коэффициента пропускания? Предлагаем следующее логическое подтверждение  такой связи.

При отражении от атмосферного объекта как от твердого предмета, луч света проникает вглубь объекта  на определенную глубину d. Глубину  проникновения можно оценить  по приращению длины фронта отраженного  импульса: 2τΔ•c=d, (8)

где Δτ – приращение длины  фронта отраженного импульса.

Для однородной среды коэффициент  пропускания слоя толщиной d определяется соотношением:

d)•μ-exp(=T, (9)

где μ – показатель ослабления.

В результате подстановки (8) в (9) получим:

()2τΔ•c•μ-exp=T. (10)

Выражение (10) показывает связь  между приращением длины фронта импульса при отражении от атмосферного объекта и его коэффициентом  пропускания. Это указывает на теоретическую  возможность установить аналитическую  связь между значением, измеряемым светодальномерным измерителем, и  величиной ВНГО или ВВ, определенной по критерию прозрачности. Но до тех  пор, пока точные критерии не введены  в практику измерений ВНГО и ВВ, любые попытки оценить результаты измерений остаются субъективными.

Остановимся еще на вопросе  измерения вертикальной видимости  методом, отличающимся от светодальномерного. Действительно, в некоторых лазерных измерителях ВНГО реализован отдельный  режим измерения вертикальной видимости  нефелометрическим методом. В основе метода лежит известная формула, связывающая значение показателя рассеяния  оптического излучения (σ) с длиной волны (λ) со значением метеорологической  дальности видимости (S) [3]:

()3,1λ55,0 •S91,3=σ. (11)

В свою очередь, показатель рассеяния слоя толщиной d можно  определить через соотношение излученного  оптического потока (F_I) и потока рассеяния (Φ₀):

d•I0FΦ=σ. (12)

Приравнивая правые части  выражений и решая полученное равенство относительно величины (S), получим:

()3,10Iλ55,0 •Φ•F•91,3=Sd. (13)

Если пренебречь поглощением  в атмосферном объекте и молекулярным рассеянием, то показатель ослабления (μ) для определенной длины волны  будет равен показателю рассеяния:

σ=μ. (14)

Поскольку коэффициент пропускания  непосредственно связан с показателем  рассеяния выражением (9), то нефелометрический  метод измерения наиболее точно  соответствует принятым критериям  измерения ВВ (по пороговому значению коэффициента пропускания). К сожалению, допустимая погрешность определения  значений вертикальной видимости нефелометрическим  методом в существующих лазерных дальномерах достигает 30 % [4], что  существенно ограничивает применение этого режима на практике.

Выводы 

1. Несмотря на 50-летнюю  практику инструментальных измерений  ВНГО и ВВ, до сих пор отсутствуют  метрологические определения измеряемых  величин. 

2. Предложены следующие  определения величин ВНГО и  ВВ. Высота ВНГО – это высота, для которой коэффициент пропускания  нижних слоев облачности равен  пороговому значению (задается стандартом). Высота видимости – это высота, для которой коэффициент пропускания  атмосферы до земной поверхности  равен пороговому значению.

3. Показана теоретическая  возможность найти аналитические  соотношения, связывающие результаты  измерений ВНГО и ВВ светодальномерным  методом со значениями, определенными  предложенным способом.

3. Метеорологическое обеспечение  аэронавигации

Пилоты нуждаются в  информации о метеоусловиях на маршрутах, по которым им предстоит выполнять  полет, и на аэродромах назначения. Задача метеорологического обслуживания, изложенная в Приложении 3, заключается  в содействии безопасному, эффективному и регулярному осуществлению  аэронавигации. Это достигается  путем предоставления необходимой  метеорологической информации эксплуатантам, членам летных экипажей, органам обслуживания воздушного движения, органам поисково-спасательной службы, администрации аэропортов и  другим органам, имеющим отношение  к авиации. Необходимо наладить тесную связь между теми, кто поставляет метеорологическую информацию, и  теми, кто ею пользуется.

На международных аэродромах метеорологическую информацию авиационные  пользователи, как правило, получают от метеорологического органа. Государство  обеспечивает соответствующие средства электросвязи, позволяющие этим аэродромным  метеорологическим органам предоставлять  информацию органам обслуживания воздушного движения и органам поисково-спасательной службы. Средства электросвязи между  метеорологическими органами и аэродромными диспетчерскими пунктами или диспетчерскими пунктами подхода должны обеспечивать возможность установления связи  в течение 15 с.

Сводки по аэродрому и  прогнозы нужны авиационным пользователям  для выполнения своих функций. В  сводки по аэродрому включаются данные о приземном ветре, видимости, дальности  видимости на ВПП, существующих условиях погоды и облачности, температуре  воздуха и точки росы и атмосферном  давлении, и выпускаются они каждый час или каждые полчаса. Дополнительно  к этим сводкам выпускаются специальные  сводки, если какой-либо параметр изменяется и начинает превышать пределы, установленные  с учетом его эксплуатационного  значения. Прогнозы по аэродрому включают данные о приземном ветре, видимости, условиях погоды, облачности и температуре  и выпускаются каждые три или  шесть часов со сроком действия от 9 до 24 ч. Прогнозы по аэродрому постоянно  контролируются и по мере необходимости  соответствующее метеорологическое  бюро в них вносит изменения.

Прогнозы для посадки  составляются на некоторых международных  аэродромах в целях удовлетворения потребностей воздушных судов, выполняющих  посадку. Они прилагаются к сводкам  по аэродрому и срок их действия составляет 2 ч. В прогнозы для посадки  включаются сведения об ожидаемых условиях в районе комплекса ВПП, содержащие данные о приземном ветре, видимости, условиях погоды и облачности.

Для оказания пилотам помощи при планировании полетов в большинстве  государств организуется метеорологический  инструктаж, при проведении которого все чаще используются автоматизированные системы. Инструктаж включает предоставление сведений об условиях погоды по маршруту полета, ветре и температуре воздуха  на высотах, часто отображаемых на метеорологических  картах, а также предоставляются  предупреждения, связанные с наличием опасных условий погоды по маршруту, сводки и прогнозы по аэродрому назначения и запасным аэродромам.

Для предоставления находящимся  в полете воздушным судам информации о существенных изменениях условий  погоды создаются органы метеорологического слежения. Они готовят предупреждения о таких опасных метеорологических  явлениях, как грозы, тропические  циклоны, мощные фронтальные шквалы, сильный град, сильная турбулентность, сильное обледенение, горные волны, песчаные и пыльные бури и облака вулканического пепла. Кроме того, эти  органы выпускают предупреждения по аэродрому о метеорологических  условиях, которые могут оказать  неблагоприятное воздействие на воздушные суда или оборудование и средства на земле, например предупреждения об ожидаемых снежных бурях. Они  также выпускают предупреждения о сдвиге ветра на траекториях  начального набора высоты и захода на посадку. Дополнительно к этому  с борта воздушных судов, находящихся  в полете, должны передаваться сводки об особых явлениях погоды, встречаемых  ими на маршруте. Полученные донесения  подразделения по обслуживанию воздушного движения направляют всем заинтересованным воздушным судам.

На большинстве международных  маршрутов экипажи воздушных  судов ведут наблюдения за ветром и температурой воздуха на высотах. Они передаются с борта находящихся  в полете воздушных судов в  целях предоставления данных наблюдений, которые могут быть использованы при составлении прогнозов. Данные о наблюдаемых с борта воздушных  судов ветре и температуре  передаются в автоматизированном режиме путем использования линии передачи данных "воздух – земля".

Что касается прогнозов по маршруту полета, то все экипажи  нуждаются в получении заблаговременной и точной метеорологической информации для прокладки такого курса, который  позволит им воспользоваться благоприятным  ветром и сэкономить топливо. В условиях, когда цены на топливо постоянно  растут, это становится все более  важным фактором. Поэтому ИКАО внедрила Всемирную систему зональных  прогнозов (ВСЗП). Эта система предназначена  для предоставления государствам и  авиационным пользователям типовых  и очень точных прогнозов о  температуре, влажности и ветре  на больших высотах, а также об особых явлениях погоды. ВСЗП состоит  из двух всемирных центров зональных  прогнозов, в которых используются самые современные компьютеры и  средства спутниковой связи (ISCS и SADIS) для составления и направления  глобальных прогнозов в цифровой форме непосредственно государствам и пользователям.

В последние годы имел место  ряд инцидентов с воздушными судами при их пролете через облака вулканического пепла, образовавшиеся в результате вулканических извержений. В целях  организации наблюдений и предоставления информации об облаках вулканического пепла, а также подготовки предупреждений для пилотов и авиакомпаний ИКАО с помощью других международных  организаций создала службу слежения за вулканической деятельностью  на международных авиатрассах (IAVW). Основой IAVW являются девять консультативных  центров по вулканическому пеплу, которые  предоставляют консультативную  информацию о вулканическом пепле  в глобальном  масштабе, как авиационным  пользователям, так и соответствующим  метеорологическим органам.

Все чаще используемые в  настоящее время на аэродромах автоматизированные системы наблюдения за погодой считаются  очень эффективными для удовлетворения авиационных потребностей в том, что касается наблюдений за приземным  ветром, видимостью, дальностью видимости  на ВПП, высотой нижней границы облаков, температурой воздуха и точки  росы и атмосферным давлением. В  связи с улучшением характеристик  полностью автоматизированных сетей  в настоящее время они могут  функционировать без участия  человека в те периоды, когда аэродром не эксплуатируется.

4. Радиолокация в метеорологии

     Применение радиолокации  для  метеорологических наблюдений и  измерений, основанное на рассеянии  радиоволн гидрометеорами   диэлектрическими неоднородностями воздуха, сопутствующими атмосферными явлениям, частицами аэрозоля  и др. Кроме того, пользуются искусственными отражателями  (рассеивателями),  выбрасываемыми в атмосферу, типа  метализированных  иголок размером Радиолокация в метеорологии  λ/2, где λ — длина волны, а также специальными радиолокационными отражателями или активными ответчиками — миниатюрными радиопередатчиками, поднимаемыми на шарах-зондах.        

 Отражения радиоимпульсов  от турбулентных и инверсионных  слоев в тропосфере впервые  отмечены в 1936 Р. Колвеллом  и А. Френдом (США) на средних  и коротких волнах. Первые сообщения  об обнаружении осадков с помощью  радиолокаторов сантиметрового (СМ) диапазона относятся к началу 1941 (Великобритания). В 1943 в США  А. Бентом и др. были организованы  первые оперативные наблюдения  за ливнями и грозами. В СССР  В. В. Костаревым в 1943 начаты  измерения скорости и направления  ветра в высоких слоях атмосферы  путём прослеживания движения  шаров-зондов с пассивными отражателями.         

 При помощи радиолокаторов  обнаруживаются облака, осадки, области  повышенных градиентов температуры  и влажности, ионизированные следы  молниевых разрядов и др. Из  радиолокационных наблюдений получают  информацию о пространственном  положении, перемещении, структуре,  форме и размерах обнаруживаемых  объектов, а также их физических  свойствах. При рассеянии радиоволн  на частицах облаков и осадков  в случае, когда размеры r этих частиц малы по сравнению с длиной волны λ (рэлеевское  рассеяние),   (Рэлеевское рассеяние — когерентное рассеяние света  без изменения длины волны  (называемое также упругим рассеянием)  на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. Названо в честь британского физика  лорда Рэлея,  установившего зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны в 1871 году^[1]. В широком смысле также применяется при описании рассеяния в волновых процессах различной природы.)

величина радиолокационного  сигнала Радиолокация в метеорологии r⁶/λ⁴. Столь сильная зависимость величины отражённого сигнала от размера частиц приводит к тому, что при радиолокационном наблюдении за облаками и осадками выделяются наиболее крупнокапельные области, поэтому радиолокационные изображения не всегда совпадают с визуальными размерами объекта. Интенсивность рассеянных сигналов резко убывает с увеличением λ, кроме того, на миллиметровых (ММ) и более коротких волнах сигнал сильно ослабляется, что ограничивает диапазон частот метеорологических радиолокаторов, которые поэтому, как правило, работают в СМ и ММ диапазонах волн.