Атлас-справочник по обледенению судов на акваториях дв морей. Обледенение Условия обледенения воздушных судов

Метод прогноза зон возможного обледенения воздушных судов

Общие сведения

В соответствии с Планом испытаний на 2009 г., в ГУ «Гидрометцентр России» проводились оперативные испытания метода прогноза зон возможного обледенения воздушных судов (ВС) по моделям ПЛАВ и NCEP в период с 1 апреля до 31 декабря 2009 г. Метод является составной частью технологии расчета карты особых явлений (ОЯ) на средних уровнях атмосферы (Significant Weather at the Middle levels – SWM ) для авиации. Технология была разработана в Отделе авиационной метеорологии (ОАМ) в 2008 г. в рамках темы НИР 1.4.1 для внедрения в Лаборатории зональных прогнозов. Метод применим также для прогноза обледенения на нижних уровнях атмосферы. Разработка технологии расчета прогностической карты ОЯ на нижних уровнях (Significant Weather at the Low levels – SWL) запланирована на 2010 г.

Обледенение воздушных судов может наблюдаться при необходимом условии, состоящем в наличии переохлажденных облачных капель в нужном количестве. Это условие не является достаточным. Чувствительность различных типов самолетов и вертолетов к обледенению неодинакова. Она зависит как от характеристик облака, так и от скорости полета и аэродинамических характеристик ВС . Поэтому прогнозируется лишь «возможное» обледенение в слоях, где выполняется его необходимое условие. Такой прогноз должен слагаться, в идеале, из прогноза наличия облаков, их водности, температуры, а также фазового состояния облачных элементов.

На ранних стадиях развития расчетных методов прогноза обледенения их алгоритмы опирались на прогноз температуры и точки росы, синоптический прогноз облачности и статистические данные о микрофизике облаков и повторяемости обледенения ВС. Опыт показал, что такой прогноз в то время был малоэффективным.

Однако и впоследствии, вплоть до настоящего времени, даже лучшие численные модели мирового класса не обеспечивали надежного прогноза наличия облаков, их водности и фазы . Поэтому прогноз обледенения в мировых центрах (для построения карт ОЯ; мы здесь не касаемся сверхкраткосрочного прогноза и наукастинга, состояние которых охарактеризовано в ) в настоящее время по-прежнему основывается на прогнозе температуры и влажности воздуха, а также, по возможности, простейших характеристик облачности (слоистая, конвективная). Успешность такого прогноза, однако, оказывается практически значимой, поскольку точность предвычисления температуры и влажности воздуха сильно повысилась по сравнению с состоянием, соответствующим времени написания .

В представлены основные алгоритмы современных методов прогноза обледенения. Для целей построения карт SWM и SWL нами были отобраны те из них, которые применимы к нашим условиям, т. е. базируются только на выходной продукции численных моделей. Алгоритмы расчета «потенциала обледенения», комбинирующие модельные и реальные данные в режиме наукастинга, в данном контексте неприменимы.

Разработка метода прогноза

В качестве выборок данных об обледенении самолетов, использованных для оценки сравнительной успешности алгоритмов, перечисленных в , а также известных ранее (в том числе известной формулы Годске) были взяты:
1) данные системы TAMDAR, установленной на самолетах, летающих над территорией США в пределах нижних 20 тыс. футов,
2) база данных самолетного зондирования над территорией СССР в 60-х гг. ХХ столетия, созданная в 2007 г. в ОАМ в рамках темы 1.1.1.2 .

В отличие от системы AMDAR, система TAMDAR включает датчики обледенения и точки росы. Данные TAMDAR удалось собрать за период с августа по октябрь 2005 г., весь 2006 г. и январь 2007 г. с сайта http:\\amdar.noaa.gov . С февраля 2007 г. доступ к данным был закрыт для всех пользователей, кроме правительственных организаций США. Данные были собраны сотрудниками ОАМ и представлены в виде базы, пригодной для компьютерной обработки, путем ручной выборки с упомянутого выше сайта следующей информации: время, географические координаты, высота по GPS, температура и влажность воздуха, давление, ветер, обледенение и турбулентность.

Остановимся вкратце на особенностях системы TAMDAR, совместимой с международной системой AMDAR и оперативно работающей на самолетах гражданской авиации США с декабря 2004 г. Система разработана в соответствии с требованиями ВМО, а также NASA и NOAA США. Отсчеты датчиков производятся через заданные интервалы давления (10 гПа) на режимах набора высоты и снижения и через заданные промежутки времени (1 мин) на режиме горизонтального полета. Система включает многофункциональный датчик, устанавливаемый на передней кромке крыла самолета, и микропроцессор, обрабатывающий сигналы и передающий их в пункт обработки и распространения данных, расположенный на земле (система AirDat). Неотъемлемой частью является также спутниковая система GPS, работающая в реальном времени и обеспечивающая пространственную привязку данных.

Имея в виду дальнейший анализ данных TAMDAR cовместно с данными ОА и численного прогноза, мы ограничивались выпиской данных только в окрестности ± 1 ч от сроков 00 и 12 ВСВ. Собранный таким путем массив данных включает 718417 отдельных отсчетов (490 дат), в том числе 18633 отсчета с наличием обледенения. Практически все они относятся к сроку 12 ВСВ. Данные группировались по квадратам широтно-долготной сетки размером 1.25х1.25 градуса и по высоте в окрестностях стандартных изобарических поверхностей 925, 850, 700 и 500 гПа. Окрестностями считались слои 300 – 3000, 3000 – 7000, 7000 – 14000 и 14000 – 21000 ф., соответственно. Выборка содержит 86185, 168565, 231393, 232274 отсчетов (случаев) в окрестностях 500, 700, 850 и 925 гПа, соответственно.

Для анализа данных TAMDAR об обледенении необходимо учитывать следующую их особенность. Датчик обледенения фиксирует наличие льда слоем не менее 0.5 мм. С момента появления льда и до момента его полного исчезновения (т. е. в течение всего периода наличия обледенения) датчики температуры и влажности не работают. Динамика отложений (скорость нарастания) в этих данных не отражена. Таким образом, не только нет данных об интенсивности обледенения, но нет и данных о температуре и влажности за период обледенения, что предопределяет необходимость анализа данных TAMDAR совместно с независимыми данными об указанных величинах. В качестве таковых использовались данные ОА из базы ГУ «Гидрометцентр России» о температуре врздуха и относительной влажности. Выборка, включающая данные TAMDAR о предиктанте (обледенении) и данные ОА о предикторах (температуре и относительной влажности), будет обозначаться в данном отчете как выборка TAMDAR-ОА.

В выборку данных самолетного зондирования (CЗ) над территорией СССР были включены все отсчеты, содержащие информацию о наличии либо отсутствии обледенения, а также о температуре и влажности воздуха, независимо от наличия облаков. Поскольку в нашем распоряжении нет данных реанализа за период 1961 – 1965 гг., не было смысла ограничиваться окрестностями сроков 00 и 12 МСВ или окрестностями стандартных изобарических поверхностей. Данные самолетного зондирования, таким образом, использовались непосредственно как измерения in situ. Выборка данных СЗ включала более 53 тыс. отсчетов .

В качестве предикторов из данных численного прогноза использовались прогностические поля геопотенциала, температуры воздуха (Т) и относительной влажности (RH) с заблаговременностью 24 ч глобальных моделей: полулагранжевой (в узлах сетки 1.25х1.25°) и модели NCEP (в узлах сетки 1х1°) за периоды сбора информации и сравнения моделей в апреле, июле и октябре 2008 г. (с 1 по 10 числа месяца).

Результаты, имеющие методическое и научное значение

1 . Температура и влажность воздуха (относительная влажность либо температура точки росы) являются значимыми предикторами зон возможного обледенения ВС, при условии, что эти предикторы измерены in situ (рис. 1). Все испытываемые алгоритмы, включая формулу Годске, на выборке данных самолетного зондирования показали вполне практически значимую успешность разделения случаев наличия и отсутствия обледенения. Однако в случае данных TAMDAR об обледенении, дополненных данными объективного анализа температуры и относительной влажности, успешность разделения понижена, в особенности на уровнях 500 и 700 гПа (рис. 2–5), вследствие того, что значения предикторов осреднены по пространству (в пределах квадрата сетки 1.25х1.25°) и могут отстоять по вертикали и по времени от момента наблюдения на 1 км и 1 ч, соответственно; сверх того, точность объективного анализа относительной влажности существенно понижается с высотой.

2 . Хотя обледенение ВС может наблюдаться в широком интервале отрицательных температур, его вероятность максимальна в сравнительно узких интервалах температуры и относительной влажности (-5…-10°С и > 85 %, соответственно). Вне этих интервалов вероятность обледенения быстро понижается. При этом зависимость от относительной влажности представляется более сильной: именно, при RH > 70 % наблюдалось 90,6 % всех случаев обледенения. Эти выводы получены на выборке данных самолетного зондирования; они находят полное качественное подтверждение на данных TAMDAR-ОА. Факт хорошего согласия результатов анализа двух выборок данных, полученных различными методами в сильно различающихся географических условиях и в разные периоды времени, показывает репрезентативность обеих используемых выборок для характеристики физических условий обледенения самолетов.

3 . На основании результатов выполненного тестирования различных алгоритмов для расчета зон обледенения и с учетом имеющихся данных о зависимости интенсивности обледенения от температуры воздуха, выбран и рекомендован к практическому использованию наиболее надежный алгоритм, ранее хорошо зарекомендовавший себя в международной практике (алгоритм, разработанный в NCEP). Этот алгоритм оказался наиболее успешным (значения критерия качества Пирси-Обухова составили 0.54 на выборке данных самолетного зондирования и 0.42 на выборке данных TAMDAR-OA). В соответствии с этим алгоритмом, прогноз зон возможного обледенения самолетов представляет собой диагноз указанных зон по прогностическим полям температуры, Т°C, и относительной влажности, RH %, на изобарических поверхностях 500, 700, 850, 925 (900) гПа в узлах модельной сетки.

Узлами сетки, принадлежащими к зоне возможного обледенения самолетов, считаются узлы, в которых выполняются следующие условия:

Неравенства (1) получены в NCEP в рамках программы RAP (Research Application Programme) на большой выборке данных измерений с помощью самолетных датчиков обледенения, температуры, влажности воздуха и применяются на практике для расчетов прогностических карт особых явлений для авиации. Показано, что повторяемость обледенения самолетов в зонах выполнения неравенств (1) на порядок выше, чем вне этих зон.

Специфика оперативных испытаний метода

Программа оперативных испытаний метода прогноза зон возможного обледенения самолетов с использованием (1) имеет определенные особенности, отличающие ее от стандартных программ испытаний новых и усовершенствованных методов прогноза. Прежде всего, алгоритм не является оригинальной разработкой ГУ «Гидрометцентр России». Он в достаточной степени проверен и оценен на разных выборках данных, см. .

Далее, успешность разделения случаев наличия и отсутствия обледенения ВС не может являться в данном случае объектом оперативных испытаний, ввиду невозможности получения оперативных данных об обледенении ВС. Единичные, нерегулярные рапорты пилотов, поступающие в МЦ АУВД, не могут в обозримое время составить репрезентативную выборку данных. Объективные данные типа TAMDAR над территорией России отсутствуют. Невозможно получить такие данные и над территорией США, поскольку на сайте, с которого нами были получены данные, составившие выборку TAMDAR-OA, информация об обледенении теперь закрыта для всех пользователей, кроме государственных организаций США.

Однако, учитывая, что решающее правило (1) получено на большом архиве данных и внедрено в практику NCEP, причем его успешность многократно подтверждена на независимых данных (в том числе и в рамках темы 1.4.1 на выборках СЗ и TAMDAR-OA), можно полагать, что в диагностическом плане статистическая связь между вероятностью обледенения и выполнением условий (1) является достаточно тесной и достаточно надежно оценена для практического применения.

Остается невыясненным вопрос о том, насколько правильно воспроизводятся в численном прогнозе зоны выполнения условий (1), выделенные по данным объективного анализа.

Иначе говоря, объектом испытаний должен являться численный прогноз зон, в которых выполняются условия (1). То есть, если в диагностическом плане решающее правило (1) является эффективным, то необходимо оценить успешность прогноза этого правила численными моделями.

Авторские испытания в рамках темы 1.4.1 показали, что модель ПЛАВ достаточно успешно прогнозирует зоны возможного обледенения ВС, определяемые через условия (1), однако уступает в этом отношении модели NCEP . Поскольку в настоящее время оперативные данные модели NCEP поступают в ГУ «Гидрометцентр России» достаточно рано, можно полагать, что, при условии значительного перевеса в точности прогноза, целесообразно использовать эти данные для расчета карт ОЯ. Поэтому было сочтено целесообразным, выполнить оценку успешности прогноза зон выполнения условий (1) как по модели ПЛАВ, так и по модели NCEP. В принципе следовало бы включить в программу и спектральную модель T169L31. Однако серьезные недостатки прогноза поля влажности не позволяют пока считать эту модель перспективной для прогноза обледенения.

Методика оценки прогнозов

В базу данных записывались поля результатов расчетов на каждой из четырех указанных изобарических поверхностей в дихотомических переменных: 0 означает невыполнение условий (1), 1 – выполнение. Параллельно рассчитывались аналогичные поля по данным объективного анализа. Для оценки точности прогноза необходимо сравнить результаты расчета (1) в узлах сетки по прогностическим полям и по полям объективного анализа на каждой изобарической поверхности.

В качестве фактических данных о зонах возможного обледенения ВС использовались результаты расчетов соотношений (1) по данным объективного анализа. Применительно к модели ПЛАВ это результаты расчетов (1) в узлах сетки с шагом 1.25 град, применительно к модели NCEP – в узлах сетки с шагом 1 град; в обоих случаях расчет производится на изобарических поверхностях 500, 700, 850, 925 гПа.

Прогнозы оценивались в рамках технологии оценки для дихотомических переменных. Оценки выполнялись и анализировались в Лаборатории испытаний и оценки методов прогнозов ГУ «Гидрометцентр России».

Для определения успешности прогнозов зон возможного обледенения самолетов рассчитывались следующие характеристики: оправдываемость прогнозов наличия явления, отсутствия явления, общая оправдываемость, предупрежденность наличия и отсутствия явления, критерий качества Пирси -Обухова и критерий надежности Хайдке- Багрова. Оценки выполнялись для каждой изобарической поверхности (500, 700, 850, 925 гПа) и отдельно для прогнозов, стартующих в 00 и 12 ВСВ.

Результаты оперативных испытаний

Результаты испытаний представлены в таблице 1 для трех областей прогноза: для северного полушария, для территории России и ее европейской территории (ЕТР) при заблаговременности прогноза 24 ч.

Из таблицы видно, что повторяемость обледенения по объективному анализу обеих моделей близка, причем она максимальна на поверхности 700 гПа, минимальна на поверхности 400 гПа. При расчете по полушарию на втором место по повторяемости обледенения стоит поверхность 500 гПа, затем – 700 гПа, что, очевидно, объясняется большим вкладом глубокой конвекции в тропиках. При расчете по России и ЕТР на втором месте по повторяемости обледенения находится поверхность 850 гПа, а на поверхности 500 гПа повторяемость обледенения уже вдвое меньше. Все характеристики оправдываемости прогнозов оказались высокими. Хотя показатели успешности модели ПЛАВ несколько уступают модели NCEP, однако и они вполне практически значимы. На уровнях, где повторяемость обледенения высока и где оно представляет наибольшую опасность для ВС, показатели успешности следует признать очень высокими. Они заметно снижаются на поверхности 400 гПа, особенно в случае модели ПЛАВ, оставаясь значимыми (критерий Пирси по северному полушарию понижается до 0.493, по России – до 0.563). По ЕТР результаты испытаний на уровне 400 гПа не приводятся ввиду того, что случаев наличия обледенения на этом уровне было крайне мало (37 узлов сетки модели NCEP за весь период), и результат оценки успешности прогноза статистически незначим. На остальных уровнях атмосферы результаты, полученные по ЕТР и России, очень близки.

Выводы

Таким образом, оперативные испытания показали, что разработанный метод прогноза зон возможного обледенения ВС, реализующий алгоритм NCEP, обеспечивает достаточно высокую успешность прогноза, в том числе на выходных данных глобальной модели ПЛАВ, которая в настоящее время является основной прогностической моделью. Решением Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета от 1 декабря 2009 г. метод рекомендован к внедрению в оперативную практику Лаборатории зональных прогнозов ГУ «Гидрометцентр России» для построения карт особых явлений для авиации.

Список литературы

1. Технический Регламент. Том 2. ВМО-№49, 2004. Метеорологическое обслуживание международной аэронавигации
2. Отчет о НИР: 1.1.1.2: Разработка проекта технологии подготовки прогностической карты особых явлений погоды для полетов авиации на нижних уровнях (заключительный). № гос. Регистрации 01.2.007 06153, М., 2007, 112 с.
3. Отчет о НИР: 1.1.1.7: Совершенствование методов и технологий прогнозов по аэродрому и на воздушных трассах (заключительный). № гос. регистрации 01.02.007 06153, М., 2007, 97 с.
4. Баранов А.М., Мазурин Н.И., Солонин С.В., Янковский И.А., 1966: Авиационная метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 281 c.
5. Зверев Ф.С., 1977: Синоптическая метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 711 с.
6. Otkin J. A., Greenwald T. J., 2008: Comparisons of WRF model-simulated and MODIS-derived cloud data. Mon. Weather Rev., v. 136, No. 6, pp. 1957-1970.
7. Menzel W. P., Frei R. A., Zhang H., et al., 2008: MODIS global cloud-top pressure and amount estimation: algorithm description and results. Weather and Forecasting, iss. 2, pp. 1175 – 1198.
8. Руководство по прогнозированию метеорологических условий для авиации (ред. Абрамович К.Г., Васильев А.А.), 1985, Л., Гидрометеоиздат, 301 с.
9. Bernstein B.C., McDonough F., Politovich M.K., Brown B.G., Ratvasky T.P., Miller D.R.., Wolff C.A., Cunning G., 2005: Current icing potential: algorithm description and comparison with aircraft observations. J. Appl. Meteorol., v. 44, pp. 969-986.
10. Le Bot C., 2004: SIGMA: System of icing geographic identification in meteorology for aviation. 11 th Conf. on Aviation, Range, and aerospace, Hyannis, Mass., 4-8 Oct 2004, Amer. Meteorol. Soc. (Boston).
11. Minnis P., Smith W.L., Young D.F., Nguyen L., Rapp A.D., Heck P.W., Sun-Mack S., Trepte Q., Chen Y., 2001: A near real- time method for deriving cloud and radiation properties from satellites for weather and climate studies. Proc. AMS 11th Conf. Satellite Meteorology and Oceanography, Madison, WI, 15-18 Oct, pp. 477-480.
12. Thompson G., Bruintjes R.T., Brown B.G., Hage F., 1997: Intercomparison of in-flight icing algorithms. Part 1: WISP94 real-time icing prediction and evaluation program. Weather and Forecasting, v. 12, pp. 848-889.
13. Иванова А. Р., 2009: Опыт верификации численных прогнозов влажности и оценка их пригодности для прогноза зон обледенения воздушных судов. Метеорология и гидрология, 2009, № 6, с. 33 - 46.
14. Шакина Н. П., Скриптунова Е. Н., Иванова А. Р., Горлач И. А., 2009: Оценка механизмов генерации вертикальных движений в глобальных моделях и их начальных полях в связи с численным прогнозом осадков. Метеорология и гидрология, 2009, № 7, с. 14 - 32.

На интенсивность обледенения влияют следующие факторы:

Температура воздуха . Самое сильное обледенение происходит в интервале температур от 0° до -10°С, вероятность образования умеренного обледенения – при температурах воздуха от -10°С до -20°С, слабого – ниже -20°С.

Микроструктура облака - физическое строение облака. По этому признаку облака делят следующим образом:

– капельно-жидкие, температура до -12°;

– смешанные, от -12° до - 40°;

– кристаллические, ниже - 40°.

Наибольшая вероятность обледенения в капельно-жидких облаках. К таким облакам относятся низкие подинверсионные слоистые и слоисто-кучевые облака. Они отличаются повышенной водностью, так как осадки из них, как правило, не выпадают, или бывают слабыми.

В смешанных облаках обледенение зависит от соотношения капель и кристаллов. Там, где капель больше, вероятность обледенения увеличивается, К таким облакам относятся кучево-дождевые облака. В слоисто-дождевых облаках обледенение наблюдается при полете выше нулевой изотермы и особенно опасно в диапазоне температур от 0° до –10°С, где облака состоят только из переохлажденных капель.

В кристаллических облаках обледенение, как правило, отсутствует. В основном это облака верхнего яруса – перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые.

Водность облаков . Водность облака – это количество воды в граммах, содержащееся в 1м³ облака. Чем больше водность облаков, тем интенсивнее обледенение. Самое сильное обледенение наблюдается в кучево-дождевых и слоисто-дождевых облаках при водности более 1г/м³.

Наличие и вид осадков . В облаках, их которых выпадают осадки, интенсивность обледенения уменьшается, так как уменьшается их водность. Наиболее тяжелое и интенсивное обледенение наблюдается при полете под слоисто-дождевыми и высоко- слоистыми облаками в зоне выпадающего переохлажденного дождя. Это характерно для переходных сезонов, когда температура воздуха у земли колеблется в пределах от 0°С до -3°С (-5°С). Самое сильное обледенение наблюдается в ледяном дожде. В мокром снеге обледенение слабое и умеренное, в сухом снеге обледенение отсутствует.

Размеры переохлажденных капель . Чем крупнее капли, тем прямолинейнее будет траектория их движения, так как они обладают большой силой инерции, следовательно, тем больше капель осядет и замерзнет на выступающей поверхности крыла в единицу времени. Мелкие капли, имеющие небольшую массу, увлекаются воздушным потоком и вместе с ним огибают профиль крыла.

Степень обледенения зависит от времени пребывания ВС в зоне обледенения. На атмосферных фронтах обледенение представляет опасность из-за большой продолжительности полета в его зоне, так как облака и осадки, связанные с фронтом, занимают, как правило, очень большие площади.

Профиль крыла ВС . Чем тоньше профиль крыла, тем интенсивнее обледенение. Это объясняется тем, что более тонкий профиль крыла вызывает разделение встречного набегающего потока на более близком расстоянии от крыла, чем при толстом профиле. Такое место (перемещение места) разделения потока делает линии тока, обтекающие крыло, более крутыми, инерционные силы капель большими, в результате почти все капли, большие и малые, оседают на тонком ребре крыла. Этим же объясняется и тот факт, что лед быстрее всего появляется на таких деталях, как стойки, приемник скорости, антенны и т.д.

Влияние скорости на интенсивность обледенения двояко. С одной стороны, скорость полета самолета увеличивает интенсивность обледенения, так как с возрастанием скорости в единицу времени большее капель столкнется с самолетом (до 300 км/ч). С другой стороны, скорость препятствует обледенению, ибо с ее повышением происходит кинетический нагрев самолета (более 300 км/ч). Нагрев отодвигает начало обледенения вверх, в сторону более низких температур. Вне облаков такой нагрев бывает большим, в облаках - меньшим. Объясняется это тем, что в облаках капли при столкновении с поверхностью самолета частично испаряются, тем самым несколько понижая температуру, вызываемую кинетическим нагревом.

В зависимости от температуры воздуха, размера переохлажденных капель, скорости и режима полета ВС различают следующие виды обледенения: лед, изморозь, иней.

Лед образуется в облаках или осадках при температуре от 0° до -10°С. Нарастает быстро (2-5 мм/мин) прочно задерживается и сильно увеличивает вес ВС. По внешнему виду лед бывает прозрачный, матовый шероховатый, белый крупообразный.

Прозрачный лед (гладкий) образуется при температуре от 0° до - 5°С. В облаках или осадках, состоящих только из крупных переохлажденных капель. Капли, ударяясь о поверхность ВС, растекаются по профилю крыла, образуя сплошную водяную пленку, которая, замерзая, превращается в слой прозрачного льда. Это самое интенсивное обледенение. Однако, если толщина льда небольшая, когда время полета в данной зоне обледенения невелико, этот вид обледенения не опасен. При полете в зоне переохлажденного дождя, где образование льда происходит очень быстро, прозрачный лед приобретает желобкообразный вид с бугристой поверхностью и сильно искажает профиль крыла, нарушая его аэродинамику. Такое обледенение становится очень опасным.

Матовый шероховатый лед образуется в облаках или осадках, состоящих из смеси снежинок, мелких и крупных переохлажденных капель в основном при температурах от - 5°С до -10°С. Крупные капли при столкновении с поверхностью ВС растекаются и замерзают, мелкие замерзают не растекаясь. Кристаллы и снежинки вмерзают в водяную пленку, образуя матовый шероховатый лед. Нарастает он неравномерно, в основном на выступающих частях ВС вдоль передних кромок, резко искажая обтекаемую форму ВС. Это наиболее опасный вид обледенения.

Белый крупообразный лед образуется в облаках, состоящих из мелких однородных капель воды при температуре ниже –10°С. Мелкие капли при столкновении с поверхностью ВС быстро замерзают, сохраняя свою сферическую форму. В результате лед становится неоднородным и приобретает белый цвет. При продолжительном полете и увеличении плотности льда он может представлять опасность.

Изморозь - крупнокристаллический налет белого цвета, который возникает при наличии в облаках мелких переохлажденных капель и ледяных кристаллов при температуре ниже –10°С. Нарастает быстро, равномерно, удерживается не прочно, стряхивается при вибрации, иногда сдувается встречным потоком воздуха. Опасно лишь при длительном пребывании в условия, благоприятных для отложения изморози.

Иней - мелкокристаллический налет белого цвета. Образуется вне облаков, за счет сублимации водяного пара на поверхности ВС. Наблюдается при резком снижении, когда холодное ВС попадает в теплый воздух или при взлете, когда ВС пересекает слой инверсии. Исчезает, как только температура ВС и наружного воздуха сравнивается. В полете не опасен, но может спровоцировать дальнейшее более сильное обледенения, если ВС, покрытое инеем, входит в переохлажденные облака или осадки.

По форме отложения льда и его расположению на поверхности крыла различают профильное обледенение, желобкообразный лед, клинообразный ледяной нарост (рис.65).

Рис.65 . Формы отложения льда на поверхности крыла

а) профильное; б, в) желобкообразное; г) клинообразное

Обледенением называется отложение льда на обтекаемых частях самолетов и вертолетов, а также на силовых установках и внешних деталях специального оборудования при полете в облаках, тумане или мокром снеге. Обледенение возникает в том случае, если в воздухе на высоте полета имеются переохлажденные капли, а поверхность воздушного судна имеет отрицательную температуру.

К обледенению самолетов могут привести следующие процессы: - непосредственное оседание льда, снега или града на поверхности самолета; - замерзание капель облака или дождя при соприкосновении с поверхностью воздушного судна; - сублимация водяного пара на поверхности самолета. Для прогноза обледенения на практике используется несколько достаточно простых и эффективных способов. Основные из них следующие:

Синоптический метод прогноза. Этот метод заключается в том, что по имеющимся в распоряжении синоптика материалам определяются слои, в которых наблюдается облачность и отрицательные температуры воздуха.

Слои с возможным обледенением определяются по аэрологической диаграмме, а порядок обработки диаграммы вам, уважаемый читатель, достаточно хорошо знаком. Дополнительно можно еще раз сказать, что наиболее опасное обледенение наблюдается в слое, где температура воздуха колеблется от 0 до -20°С, а для возникновения сильного или умеренного обледенения наиболее опасным является перепад температур от 0 до -12°С. Данный метод достаточно прост, не требует значительного времени на выполнение расчетов и дает хорошие результаты. Других пояснений по его использованию давать нецелесообразно. Метод Годске.

Этот чешский физик предложил по данным зондирования определять величину Тн.л. - температуру насыщения надо льдом по формуле: Тн.л. = -8D = -8(T - Td), (2) где: D - дефицит температуры точки росы на каком-либо уровне. Если оказывалось, что температура насыщения надо льдом выше температуры окружающего воздуха, то на этом уровне следует ожидать обледенения. Прогноз обледенения по этому методу также дается с помощью аэрологической диаграммы. Если по данным зондирования получается, что кривая Годске в каком-то слое лежит правее кривой стратификации, то в этом слое следует прогнозировать обледенение. Годске рекомендует использовать свой метод прогноза обледенения ВС только до высоты 2000 м.

В качестве дополнительной информации при прогнозе обледенения можно использовать следующую установленную зависимость. Если в интервале температур от 0 до - 12°С дефицит точки росы больше 2°С, в интервале температур от-8 до - 15°С дефицит точки росы больше 3°С, а при температурах ниже - 16°С дефицит точки росы больше 4°С, то с вероятностью более 80% обледенение при таких условиях наблюдаться не будет. Ну и, естественно, важным подспорьем для синоптика при прогнозе обледенения (и не только его) является информация, передаваемая на землю пролетающими экипажами, или экипажами взлетающими и заходящими на посадку.

по обледенению судов на акваториях Дальневосточных морей

Владивосток - 2011

Предисловие

В холодный период года на морях наиболее опасным для судов природным явлением признано обледенение. Ежедневно от обледенения страдают десятки и сотни судов. Обледенение затрудняет и нарушает производственную деятельность, приводит к травматизму моряков и нередко к катастрофическим последствиям.

Явление обледенения судов относят к разряду опасных и особо опасных (ОЯ) или стихийных гидрометеорологических явлений (НЯ). Для мореплавателей разработаны соответствующие инструкции поведения при обледенении, при этом основными средствами борьбы с обледенением являются: маневр судна, уменьшающий нарастание льда; околка льда силами экипажа; выход из зоны обледенения. При планировании работ в море необходимо знать условия и факторы, способствующие обледенению, среди которых есть: технические (тип судна, такелаж, загрузка, покрытие и так далее); субъективные (маневр судна) и гидрометеорологические. Суммарное воздействие всех этих факторов не позволяет рассматривать это явление как природное и характеризовать его только с гидрометеорологической стороны. Поэтому все выводы, полученные при исследовании обледенения как природного явления, имеют рекомендательный, вероятностный характер.

Атлас состоит из трех частей, характеризующих условия обледенения в Беринговом, Охотском и Японском морях. Каждая часть состоит из Введения и двух разделов.

Во Введении даны характеристики условий обледенения и пояснения к табличному материалу.

Первый раздел содержит табличный материал, характеризующий исходные данные, характеристики параметров обледенения судов, взаимозависимости параметров обледенения от гидрометеорологических элементов и погодных условий для конкретного моря.

Второй раздел содержит карты обледенения судов по трем градациям интенсивности: медленное обледенение, быстрое и очень быстрое - рассчитанные по температурно-ветровым градациям.

Атлас предназначен для капитанов и штурманов различных ведомств, сотрудникам научно-исследовательских и проектных организаций, органам Гидрометслужбы.

Атлас разработан в ГУ «ДВНИГМИ» ст. науч. сотр., к. г. н., А. Г. Петровым и мл. научн. сотр. Е. И. Стасюк.

Материалы, представленные в Атласе, основаны на большом количестве исходных данных. В работе использовано более 2 миллионов судовых наблюдений над гидрометеорологическими элементами, выполненными на акваториях дальневосточных морей, из них более чем в 35 тыс. случаях зафиксировано обледенение судов. Временной период охватывает промежуток времени от 1961 по 2005 гг. Имеющийся материал наблюдений представляет собой неоднородный массив сведений, в которых часто отсутствуют те или иные гидрометеорологические параметры и, прежде всего, параметры характеризующие обледенение судов. В результате этого в представленных в Атласе таблицах наблюдается несоответствие взаимного количества параметров обледенения. В этих условиях, критконтроль имеющихся сведений по выделению случаев обледенения судов производился, прежде всего, на основе учета возможности обледенения по физическим закономерностям.

Впервые представлены результаты совместного анализа параметров обледенения непосредственно фиксируемых случаев обледенения и гидрометеорологических наблюдений, характеризующих температурно-ветровой режим. Отмечено, что обледенение судов по данным непосредственно наблюдаемых случаев обледенения регистрируется на большей части рассматриваемых акваторий с октября по июнь. Наиболее благоприятные условия для возникновения всех видов обледенения складываются в период интенсивного ледообразования: с января по март. Для определения синоптических условий просмотрено более 2 тыс. синоптических процессов над акваториями Дальневосточных морей.

Приведенные характеристики обледенения используются для ориентировочных расчетов обледенения судов водоизмещением в пределах 500 т. С 80 % вероятностью характер забрызгивания таких судов одинаков с забрызгиванием судов большим водоизмещением, что позволяет интерпретировать представленные материалы и на суда с большим водоизмещением. Наибольшую опасность обледенение представляет для судов с ограниченным маневром движения (к примеру, при буксировке другого судна), а так же при движении судна под углом 15-30º к волне, что обуславливает наилучшие условия для забрызгивания его морской водой. В этих условиях даже при незначительных отрицательных температурах воздуха и небольшой скорости ветра возможно сильное обледенение, усугубляемое неравномерным распределением льда на поверхности судна, что может привести к катастрофическим последствиям. При медленном обледенении скорость отложения льда на палубе и надстройках судна водоизмещением 300-500 т может достигать 1,5 т/ч,при быстром обледенении – 1,5-4 т/ч,при очень быстром – более 4 т/ч.

Расчет интенсивности возможного обледенения (для построения карт) производился в соответствие с рекомендациями, разработанными в «Методических указаниях по предупреждению угрозы обледенения судов» и используемыми в прогностических подразделениях Росгидромета, исходя из следующих гидрометеорологических комплексов:

Медленное обледенение

• температура воздуха от -1 до -3 ºС, любая скорость ветра, забрызгивание или одно из явлений – атмосферные осадки, туман, парение моря;
• температура воздуха -4 ºС и ниже, скорость ветра до 9 м/с, забрызгивание, или одно из явлений – атмосферные осадки, туман, парение моря.

Быстрое обледенение

• температура воздуха от -4 ºС до -8 ºС и скорость ветра от 10 до 15 м/с;

Очень быстрое обледенение

• температура воздуха -4 ºС и ниже, скорость ветра 16 м/с и более;
• температура воздуха -9 ºС и ниже, скорость ветра 10 – 15 м/с.

Справочный материал, характеризующий параметры обледенения и сопутствующие им гидрометеорологические элементы представлены в первом разделе в виде таблиц, рисунков и графиков.

Карты обледенения судов по месяцам представлены во втором разделе. Здесь представлены карты вероятности возможного обледенения по трем градациям интенсивности: медленного, быстрого, очень быстрого, рассчитанные по температурно-ветровым комплексам по месяцам.

Построение карт производилось на основе результатов расчета повторяемости соответствующих температурно-ветровых комплексов. Для этого все имеющиеся сведения о температуре воздуха и скорости ветра в море по данным судовых наблюдений группировались в 1º квадраты по месяцам. Расчет повторяемости характеристик обледенения производился для каждого квадрата. Учитывая большую неоднородность полученных величин повторяемостей, на картах приведены изолинии повторяемости более 5 %, при этом пунктиром нанесена крайняя граница возможного обледенения. Карты построены отдельно для каждого вида интенсивности обледенения (медленного, быстрого, очень быстрого). Здесь же отмечены зоны наличия льда в различные по типу зимы: мягкие, средние и суровые. Помимо этих сведений на картах выделены зоны, в которых существует недостаток исходных данных, как по их общему количеству, так и по достаточности их климатического обобщения для каждого из квадратов. Минимальное количество исходных данных выбиралось на основе расчета первой квартелли при статистической обработке всего массива данных за месяц. В среднем она оказалась равной 10 наблюдениям для всех месяцев. Минимальное количество данных для климатического обобщения было принято - трем (в соответствие с методическими рекомендациями). Зоны выделены штриховкой.

Краткая характеристика обледенения судов на акваториях дальневосточных морей в январе

(фрагмент анализа характеристики режима обледенения судов по месяцам)

В январе на акватории Берингова моря зафиксировано около 1347 случаев обледенения, из них 647 случаев медленного и 152 случая быстрого обледенения судов, что составляет около 28 % всех случаев медленного обледенения и около 16 % быстрого. Обледенение вероятно на всей акватории моря, при этом вероятность медленного обледенения по ветро-температурным условиям достигает 60 %, равномерно увеличиваясь с юга на север к побережьям Азии и Америки. Вероятность быстрого обледенения характеризуется 5 – 10 % практически на всей акватории моря, а очень быстрого достигает 20–25 %.

В Охотском море зарегистрировано свыше 4300 случаев обледенения. Из них 1900 медленного и 483 быстрого обледенения. По расчетным данным обледенение может наблюдаться на всей акватории моря, при этом вероятность медленного обледенения находится в пределах 40 – 60 %, быстрого – 10–30 %, а очень быстрого – 10-15%.

В Японском море зарегистрировано свыше 2160 случаев обледенения. Из них более 1180 медленного и около 100 случаев быстрого обледенения. По расчетным данным вероятность обледенения высокая на большей части акватории моря. Так, вероятность медленного обледенения по температурно-ветровым условиям равномерно увеличивается с юга на север с 5 до 60% и более. Быстрое обледенение характерно для центральной части моря с величинами от 5 до 15 % и уменьшением к вершине Татарского пролива до 5%. Вероятность очень быстрого обледенения увеличивается с юга к верховью Татарского пролива от 5 до 30%.

Подобный краткий анализ обледенения судов представлен для всех морей за все месяцы, в которые существует вероятность обледенения судов.

В таблице 1 представлены сведения о количестве и повторяемости гидрометеорологических наблюдений, включая случаи непосредственной регистрации обледенения судов, которые были использованы при анализе причин и характера обледенения судов. На рисунках 1-3 представлены примеры карт пространственного расположения зафиксированных случаев обледенения судов на дальневосточных морях.

На рисунке 4 представлен пример графической информации, а именно, характеристика зафиксированных случаев обледенения судов по причине и характеру обледенения.

На рисунках 5-8 представлены диаграммы зависимости брызгового обледенения от гидрометеорологических элементов: температуры воды и воздуха, скорости ветра и высоты волны) по всем трем морям.

Таблица 1 – Количество и повторяемость (%) данных гидрометеорологических наблюдений по месяцам,включая сведения о непосредственной регистраций обледенения судов

1 - общее количество судовых метеонаблюдений;

3 - общее количество зарегистрированных случаев обледенения;

5 - количество случаев регистрации медленного обледенения;

7 - количество случаев регистрации быстрого обледенения.

Рисунок 1 - Координаты случаев всех видов обледенения

Рисунок 2 - Координаты случаев медленного обледенения

Рисунок 3 - Координаты случаев быстрого обледенения

Рисунок 4 - Повторяемость обледенения в зависимости от причин и характера

Рисунок 5 - Повторяемость брызгового обледенения в зависимости от температуры воды

Рисунок 6 - Повторяемость брызгового обледенения в зависимости от распределения толщины льда

Рисунок 7 - Повторяемость брызгового обледенения в зависимости от высоты волны

Рисунок 8 - Повторяемость брызгового обледенения в зависимости от распределения температуры воздуха

Пример карт вероятности обледенения, рассчитанных по температурно-ветровым комплексам (фрагмент из атласа карт вероятности обледенения в Беринговом море в январе)

В результате обработки данных по температурно-ветровому режиму на акваториях Дальневосточных морей были рассчитаны повторяемости характеристик обледенения (медленное, быстрое, очень быстрое) в одноградусных квадратах по месяцам.

Расчет производился на основе используемых в прогностических организациях взаимосвязях температуры воздуха и скорости ветра с характером обледенения судов.

Так, на рисунке 9 представлен пример картографической информации расчета вероятности обледенения судов в Беринговом море по температурно-ветровым условиям в январе. На рисунке районы затемнения означают положение ледяного покрова в январе в различные типы зим: мягкой, средней и суровой. Красной штриховкой выделены зоны, в которых отмечается недостаточное количество данных для статистически достоверных расчетов вероятности обледенения.

Рисунок 9 - Пример картографической информации расчета вероятности обледенения судов в Беринговом море по температурно-ветровым условиям в январе

Устанавливается на краю крыш, в водостоках и желобах, в местах возможного накопления снега и льда. При работе нагревательного кабеля талая вода беспрепятственно проходит по всем элементам водосточной системы до земли. Замерзание и разрушение элементов кровли, фасада здания и самой водосточной системы в данном случае не происходит.

Для правильной работы системы необходимо:

• Определить наиболее проблемные участки на кровле и в водосточной системе;
• Произвести правильный расчет мощности системы нагрева;
• Использовать специальный нагревательный кабель требуемой мощности и длины (для наружной установки, стойкий к ультрафиолетовому излучению);
• Выбрать элементы крепления в зависимости от материала и конструкции крыши и водосточной системы;
• Подобрать необходимую аппаратуру управления нагревом.

Установка системы антиобледенения на крышах.

При расчете требуемой мощности системы стаивания снега и льда для крыши важно учитывать тип, конструкцию кровли и местные погодные условия.

Условно крыши можно разделить на три типа:

1. «Холодная крыша». Крыша с хорошей изоляцией и низким уровнем теплопотерь через её поверхность. На такой крыше наледи обычно образовываются только тогда, когда снег тает на солнце, при этом минимальная температура таяния – не ниже -5 °С. При расчете требуемой мощности системы антиобледенения для таких крыш, будет достаточно минимальной мощности нагревательного кабеля (250 – 350 Вт/ м² для крыши и 30-40 Вт/м для водостоков).

2. «Теплая крыша». Крыша с плохой изоляцией. На таких крышах снег тает при достаточно низких температурах воздуха, затем вода стекает вниз к холодному краю и к водостокам, где и замерзает. Минимальная температура таяния – не ниже -10 °С. К такому типу относится большинство крыш административных зданий с чердаком. При расчете системы антиобледенения для «теплых крыш» следует увеличить мощность нагревательного кабеля на кромке крыши и в желобах. Это обеспечит эффективность работы системы даже при низких температурах.(Рис.1).

3. «Горячая крыша». Крыша с плохой теплоизоляцией, у которой чердак часто используется в технических целях или как жилая площадь. На таких крышах снег тает и при низких температурах воздуха (ниже -10 °С). Для «горячих крыш» кроме использования нагревательного кабеля с большой мощностью желательно использовать метеостанцию или терморегулятор для снижения затрат электроэнергии.

Если кабель укладывается на крыше с мягким покрытием (например рубероид), максимальная мощность нагревательного кабеля не должна превышать 20 Вт/м.

Установка системы антиобледенения в желоба и водостоки.

При расчетах системы антиобледенения необходимо учитывать:

1. Диаметр водосточной трубы и желоба. При диаметре вертикальной водосточной трубы менее чем 10 см рекомендуется устанавливать одну линию нагревательного кабеля.
2. Материал, из которого изготовлен водосток. (См. таблицу).

В большинстве случаев нагревательный кабель укладывается в две линии: в желобах с помощью специальных пластин, в водостоках с помощью косички (трос со специальными креплениями, фиксирующими кабель). Крепления обеспечивают надежную фиксацию и не позволяют пересекаться линиям нагревательного кабеля.

Если существует вероятность засорения желобов либо водостоков листвой, иголками и т.п. рекомендуется использовать саморегулирующийся нагревательный кабель. Так как обычный резистивный нагревательный кабель в местах засорения может перегреваться и со временем выйти из строя.

Вертикальные водосточные трубы наиболее подвержены замерзанию в зимнее время. В длинных трубах (15 м и более) из-за конвекции воздуха возможно переохлаждение нижней части трубы. Чтобы избежать замерзания устанавливаются дополнительные линии нагревательного кабеля (увеличивается мощность) в нижней части трубы на длине 0,5 – 1 м (Рис.2).

Необходимо устранить образование сосулек и наледей на краю крыши и предотвратить замерзание водосточной системы. Длина кромки крыши составляет 10 м, теплоизоляция не обеспечивает полного устранения теплопотерь (теплая крыша). Длина желоба составляет 10 м, два водостока имеют длину 6 м. Желоб и водосток изготовлены из пластика, диаметр водостоков 10 см, ширина желоба 20 см.

Решение:

В данном случае оптимально подойдет вариант с отдельным обогревом кромки крыши (Рис. 3) и водосточной системы.

Рис.3

Расчет системы обогрева для крыши:

1. По таблице определяем мощность необходимую для обогрева кромки «теплой крыши» на 1 квадратный метр – 300 – 400 Вт.
2. Определяем полную площадь обогрева (S ): (обогрев необходимо осуществить по всей длине крыши (10 м), в зависимости от наклона крыши определяем ширину участка обогрева, в нашем случае - 50 см). S = 10м × 0,5м = 5 м²
3. Выбираем нагревательный кабель, мощность и длина которого будут соответствовать требованиям указанным выше. Минимальная мощность кабеля составит:

5 м² × 300 Вт = 1500 Вт

Вариант 1. Нагревательный кабель Nexans TXLP/1, 28Вт/м, 1800 Вт, 64,2м.

В этом случае мощность(W) на 1 м² составит:

где Wобщ. – полная мощность нагревательного кабеля, S – кол-во обогреваемых квадратных метров.

(данная величина удовлетворяет условиям таблицы)

Шаг укладки (N) кабеля составит:

где S – площадь обогрева, L – длина кабеля.

(Для удобства при монтаже возможно осуществить укладку нагревательного кабеля с шагом 8 см, а небольшой остаток кабеля смонтировать на свободной площади крыши.)

Вариант 2: Нагревательный кабельHemstedt DAS 55 (1650 Вт, 55 м). По формулам указанным выше определяем Необходимые параметры.

(Мощность на 1 м² = 330 Вт, шаг укладки = 9 см)

Вариант 3: Нагревательный кабель Эксон Элит 2-23, 1630 Вт, 70 м

(Мощность на 1 м² = 326 Вт, шаг укладки = 7 см)

Прим. Кроме этого возможно использование саморегулирующих кабелей и отрезных резистивных кабелей.

Расчет системы обогрева для водостоков:

1. По таблице определяем необходимую мощность для водостока:

W = 40 – 50 Вт/м

1. Определяем необходимую длину нагревательного кабеля исходя из условия указанного выше.

Поскольку диаметр водостока составляет 10 см, то нагревательный кабель необходимо монтировать в одну жилу L в. = 6 + 6 = 12 м

Для желоба шириной 20 см кабель подбираем с расчетом укладки в две жилы.

L ж. = 10 × 2 = 20 м.

Вариант 1: Саморегулирующийся нагревательный кабель.

Для каждого водостока используем по 6 метров кабеля мощностью 40 Вт/м, а в желоб 20 м кабеля мощностью 20 Вт/м, с креплением каждые 40 см монтажными пластинами.

Вариант 2: Нагревательный кабель Hemstedt Das 20 (для укладки в желоб в две жилы) и по 6 м саморегулирующегося кабеля 40 Вт/м (для укладки в каждый водосток.)

Задача: Необходимо предотвратить замерзание талой воды в водостоке. (Длина водостока составляет 15 м, материал – металл, диаметр – 20 см, слив воды происходит с «холодной крыши»)

Кроме обогрева вертикальной трубы, необходимо обеспечить обогрев горизонтального водоотвода (рис.4), в который стекает талая и дождевая вода из водостока и с площадки с тротуарной плиткой, в которой он находится. Длина стока составляет 6,5 м, ширина 15 см.

Решение:

1. Исходя из параметров указанных в условии, по таблице определяем необходимую мощность на 1 м.п. W = 30 – 40 Вт/м.
2. Определяем длину нагревательного кабеля. (Для диаметра водостока и водоотвода указанного в условии необходима укладка нагревательного кабеля в 2 лини) L = (15 + 6,5) ×2=43 метра.
3. Выбираем нагревательный кабель соответствующей длины и мощности.

Вариант 1 : Nexans TXLP/1 1280 Вт, 45,7м. Кабель укладывается в две линии с помощью косички и подключается в удобном месте (К терморегулятору либо к метеостанции). Остаток кабеля (2,7 метра) возможно уложить в сливную горловину водостока, либо продлить участок обогрева в конце водоотвода.

Вариант 2 :Эксон-Элит 23, 995 Вт, 43,6 м.

Вариант 3 : Nexans Defrost Snow TXLP/2R 1270Вт, 45,4 м.

Вариант 4 : Саморегулирующийся либо отрезной резистивный нагревательные кабели.