Способ определения высоты нулевой изотермы в облаках

 

Изобретение относится к метеорологии, а именно к определению значений высоты нулевой изотермы в районах с мощной конвективной облачностью, осуществляемому на основе проведения спутниковых и наземных измерений. Способ определения высоты нулевой изотермы в облаках заключается в измерении наименьшей радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, соответствующей этим же районам. Высоту нулевой изотермы в пределах облачного покрова рассчитывают с учетом эмпирических коэффициентов, зависящих от сезона и района измерений. Благодаря этому повышается точность определения высоты нулевой изотермы в районах с мощной конвективной облачностью. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к метеорологии, а точнее к методам определения метеорологических параметров атмосферы на различных высотах, и наиболее эффективно может быть использовано для определения высоты нулевой изотермы в районах, занятых мощным облачным покровом, содержащим зоны активной конвекции, из которых возможно выпадение града, либо интенсивных конвективных осадков в виде дождя. Данные о высоте нулевой изотермы в таких районах необходимы при проведении противоградовой защиты территорий, а также для прогноза возникновения опасных и особо опасных града, ливней, гроз и шквалов.

Известен способ определения высоты нулевой изотермы в облаках, заключающийся в измерении температуры воздуха у поверхности земли и на разных высотах с помощью запускаемых в атмосферу радиозондов ([1], с.229).

Недостатком известного способа является дороговизна, возникающая из-за необходимости запускать большое количество радиозондов, и относительно большая продолжительность его реализации, поскольку для получения данных о высоте нулевой изотермы необходимо каждый раз осуществлять запуск радиозондов и в течение не менее 1 часа регистрировать данные о значениях метеопараметров на трассе свободного подъема радиозонда.

Кроме того, поскольку радиозондирование осуществляется в стандартные синоптические сроки и с конкретных метеорологических станций, вероятность прохождения радиозонда через мощную конвективную облачность, для которой необходимо определить высоту нулевой изотермы, оказывается чрезвычайно низкой.

Из известных наиболее близким по технической сущности и реализации является способ определения высоты нулевой изотермы в облаках, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова и измерении температуры воздуха у поверхности земли ([1], с.232).

Недостатком известного способа является большая погрешность определения высоты нулевой изотермы в районах с облачностью, поскольку чем мощнее облачность, тем значительнее она поглощает уходящее тепловое излучение от разных по высоте слоев атмосферы. В результате существенно увеличивается погрешность восстановления вертикального профиля температуры, а следовательно, и погрешность определения высоты нулевой изотермы.

Целью изобретения является повышение точности определения высоты нулевой изотермы в районах с мощной конвективной облачностью.

Цель достигается тем, что в способе определения высоты нулевой изотермы в облаках, заключающемся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова и измерении температуры воздуха у поверхности земли, согласно изобретению в пределах каждого массива с облачным покровом измеряют наименьшее значение его радиационной температуры, а высоту нулевой изотермы в пределах облачного покрова рассчитывают по формуле Но=с1•Т1•[1-(1-h/(c2•T1))/(1-Т3/T1)]+c3, где c1, c2 и c3 - эмпирические коэффициенты; T1, Т3 - наименьшее значение радиационной температуры в пределах рассматриваемого массива облачного покрова и температура воздуха у поверхности земли в этом же районе соответственно (^oС); h - высота (км) поверхности земли в районе, для которого измерена температура воздуха Т3.

Кроме того, радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, измеряют с искусственных спутников Земли в диапазоне 10-11 мкм, а значения эмпирических коэффициентов для теплого периода года на Европейской территории России принимают равными: с1=-0,154 км/^oС, с2=-0,245 км/^oС и с3=1,24 км.

Как показал анализ научно-технической и патентной литературы, по классу G 01 W 1/00, совокупность отличительных существенных признаков, предложенных для решения поставленной задачи, на дату подачи заявки не известна другим авторам.

При этом необходимость использования заявленных существенных признаков объясняется следующими причинами.

1. Измерение наименьшего значения радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков каждого массива облачного покрова, необходимо для того, чтобы наиболее точно определить среднее значение вертикального градиента температуры в пределах анализируемого облачного массива.

В результате экспериментальных исследований, проведенных авторами, установлено, что только минимальные значения радиационной температуры верхних участков облачного покрова обеспечивают предельно высокую точность измерения высоты нулевой изотермы. Физически это может быть объяснено тем, что минимальные значения температуры наблюдаются у наиболее высоких (мощных) конвективных облаков, вертикальный градиент температуры внутри которых оказывается значительно более однородным, чем вне таких облаков.

Кроме того, согласно ранее проведенным исследованиям ([2], с.34) для конвективных облаков оказывается возможным получение оценки высоты их верхней границы на основе использования спутниковой информации, что также необходимо для решения поставленной задачи.

2. Измерение температуры воздуха у поверхности земли в районе с наименьшими значениями радиационной температуры в пределах рассматриваемого массива облачного покрова, проводимое примерно в то же время (допустимо отклонение не более 6 часов), что и спутниковая съемка температуры облачного покрова, обеспечивает получение информации, также необходимой для решения поставленной задачи.

Исследования, проведенные авторами заявки, показали, что для определения высоты нулевой изотермы с погрешностью, допустимой для практического применения, например при проведении противоградовой защиты по ракетной технологии, подходят только наиболее точные наземные (а не спутниковые) измерения температуры воздуха.

3. В процессе экспериментов также было установлено, что радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, лучше всего измерять с искусственных спутников Земли (типа Метеор, NOAA, Meteosat) в диапазоне 10-11 мкм, а значение эмпирических коэффициентов для теплого периода года над Европой и Европейской территории России принимать равным с1=-0,154 км/^oС, с2=-0,245 км/^oС, с3=1,24 км. Следует отметить, что такой же диапазон принимаемого излучения использован и в работе [2], но для решения другой задачи - определения высоты верхней границы конвективных облаков типа кучево-дождевых.

Способ реализуется следующим образом. По результатам измерения значений радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, проводимого с полярно орбитальных искусственных спутников Земли типа Метеор, NOAA, или геостационарных спутников типа Meteosat, GOES и др. в диапазоне, например, 10-11 мкм, строят карты распределения соответствующей температуры, аналогичные приведенным в работе ([2], с.32, рис. 5.2). По результатам измерений в стандартные сроки (например, через 3 часа) температуры воздуха у поверхности земли, проводимым на метеостанциях гидрометеослужбы страны, строят карты распределения приземной температуры воздуха.

На карте пространственного распределения радиационной температуры уходящего теплового излучения измеряют географические координаты районов, в пределах которых радиационная температура имеет минимальное значение, например, Т1=-35^oС. При этом основным критерием наличия облачности в конкретном районе является отрицательное значение радиационной температуры.

На карте пространственного распределения температуры воздуха у поверхности Земли, построенной в срок, ближайший к моменту спутниковой съемки, определяют значение приземной температуры воздуха (например, Т3=20^oС) в районе, для которого выявлено минимальное значение радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова. Кроме того, по топографической или физической карте данной местности определяют среднее значение высоты этого же района, например, h=0,2 км.

Подставляя найденные значения в формулу и учитывая, что измерения проведены в теплое полугодие на Европейской территории России, для которой значения эмпирических коэффициентов составляют с1=-0,154 км/^oС, с2=-0,245 км/^oС и с3=1,24 км, для высоты нулевой изотермы получаем Но=3,3 км.

Вышеописанную последовательность действий повторяют для каждого выявляемого района с облачностью, в пределах которого радиационная температура ее верхней границы имеет минимальное отрицательное значение. После чего определенные таким образом значения высот нулевой изотермы в районах с облачным покровом наносят на карты и используют для решения задач, например, обслуживания авиации, противоградовой защиты, а также для диагноза и прогноза опасных и особо опасных ливней, шквалов и града.

Как показал статистический анализ результатов, полученных для районов Европейской территории России, среднеквадратическое отклонение восстановленных значений высот нулевой изотермы от их значений, определенных по данным радиозондирования, оказывается близким к 0,2 км, т.е. погрешность предлагаемого способа соизмерима с погрешностью радиозондирования, однако при реализации способа не требуется запускать большое количество дорогостоящих радиозондов, а достаточно использовать данные с регулярно действующих искусственных спутников Земли и сети наземных метеорологических станций.

По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет получить качественно новый результат, а именно определить высоту нулевой изотермы в районах с мощным облачным покровом, включая мезомасштабные конвективные комплексы кучево-дождевой облачности. Информация о значениях высот нулевой изотермы в таких районах принципиально не может быть получена с помощью прототипа, но оказывается важна для многих видов прогностической и практической деятельности. Поэтому предлагаемый способ может найти широкое практическое применение.

ЛИТЕРАТУРА 1. М. Г. Приходько. Справочник инженера-синоптика. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 327 с.

2. Руководство по диагнозу и прогнозу опасных и особо опасных осадков, града и шквалов по данным метеорологических радиолокаторов и искусственных спутников Земли. - М.: Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 1996, с.34.

Формула изобретения

1. Способ определения высоты нулевой изотермы в облаках, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, отличающийся тем, что в пределах каждого массива с облачным покровом измеряют наименьшее значение его радиационной температуры, а высоту нулевой изотермы в пределах облачного покрова рассчитывают по формуле H_o = c1•T1•[1-(1-h/(c2•T1))/(1-T3/T1)] +c3, где с1, с2 и с3 - эмпирические коэффициенты; Т1, Т3 - наименьшее значение радиационной температуры в пределах рассматриваемого массива облачного покрова и температура воздуха у поверхности Земли в этом же районе соответственно, ^oС;
h - высота поверхности Земли в районе, для которого измерена температура воздуха Т3, км.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, измеряют с искусственных спутников Земли в диапазоне 10-11 мкм, а значения эмпирических коэффициентов для теплого периода года на Европейской территории России принимают равными с1= - 0,154 км/^oС, с2= - 0,245 км/^oС и с3= 1,24 км.