Туманы и их влияние на деятельность авиации

Введение

Обеспечение безопасности полетов является основной проблемой  авиации, над решением которой трудятся работники всех авиационных профессий – от создателей воздушных судов до лиц, эксплуатирующих эти суда и обслуживающих полеты. Безопасность полетов зависит от многих факторов, в том числе и от факторов внешней среды, среди которых значительную роль играет ограниченная видимость. Ее воздействие в наибольшей степени сказывается на последнем, наиболее ответственном этапе полета – посадке воздушного судна, когда пилоту необходимо иметь визуальный контакт с ориентирами взлетно-посадочной полосы или посадочной площадки.

    Наиболее сложными являются этапы захода на посадку и сама посадка. Это связано с тем, что именно на этих этапах полета в наибольшей степени проявляются осложняющие факторы: скоротечность этапа посадки, нестационарность процесса управления, практическая невозможность исправления допущенной ошибки, высокая психологическая нагрузка и тому подобное. Все эти факторы особенно сильно проявляются при посадке воздушных судов в сложных метеорологических условиях, когда видимость ограничена. Именно поэтому, для обеспечения безопасности полетов наибольшую роль играет точность прогноза погоды видимости или явлений погоды ухудшающих видимость. К одному из таких явлений и относится туман. Причем из существующих разновидностей тумана наибольшую опасность представляет адвективный туман, так как этот тип тумана может наблюдаться до нескольких суток и существенно влиять на безопасность полетов. Успешность прогноза адвективного тумана во многом связана с точностью выбора района, из которого ожидается приток воздушной массы. В связи с этим, целью настоящей работы является разработка методики определения исходного района для прогноза адвективного тумана с помощью приземных карт погоды и карт удельного объема, а также, на основе факторного анализа, разработка способа прогноза адвективного тумана [8].

1. Туманы и их влияние на деятельность авиации

1.1 Классификация туманов

Как известно туманом называется помутнение воздуха в приземном слое, вызванное взвешенными в нем каплями воды, ледяными кристаллами или их смесью, при горизонтальной видимости менее 1 км хотя бы в одном направлении.

 Типы туманов. В зависимости от синоптических условий образования выделяют два типа туманов: внутримассовые и фронтальные.

В зависимости от основных физических процессов образования туманы можно классифицировать следующим образом.

1. Туманы охлаждения:

1) радиационные — поземные,  низкие и высокие;

2) адвективные — адвекция теплой воздушной массы, снижение облаков и перемещение туманной массы;

3) адвективно-радиационные;

4) орографические (горных  склонов,  адиабатические).

2. Туманы испарения:

5) испарения (парения) водоемов — испарения (парения) арктических морей, осенние (зимние) испарения (парения) рек, озер, внутренних морей, а также испарения капель теплого дождя в холодном приземном слое;

6) смешения (береговые);

7) водяная пыль (водопадов, морского прибоя и т. п.).

3. Туманы, связанные с деятельностью человека:

8) городские;

9) морозные (поселковые печные, аэродромные);

10) искусственные.

 Наибольшее значение имеют туманы охлаждения. Часто различные физические процессы действуют одновременно и разделить их не представляется возможным. Поэтому приведенная классификация (по А. С. Звереву), как и любая классификация природных явлений, имеет условное значение. Например, при адвективном охлаждении теплой воздушной массы ночью одновременно действует радиационное охлаждение, которое особенно велико при прояснениях. В связи с этим выделен тип адвективно-радиационных туманов, возникающих при адвекции теплой воздушной массы, когда решающее влияние на образование тумана оказывает ночное радиационное охлаждение.

1.2 Условия образования адвективного тумана

Образованию адвективного тумана, также как и низкой облачности, часто предшествует безоблачная или малооблачная погода в области повышенного давления со слабыми ветрами. Чем продолжительнее был период выхолаживания почвы и нижнего слоя воздуха, тем интенсивнее происходит следующее за выхолаживанием повышение температуры в данном месте, когда начинается адвекция теплого влажного воздуха на холодную подстилающую поверхность. В результате охлаждения происходит насыщение теплого воздуха и возникает низкая облачность, переходящая в туман. Вероятность возникновения адвективного тумана тем больше, чем больше разность между значениями температуры и точки росы перемещающегося теплого воздуха и воздуха в пункте прогноза в исходный срок. дефицит точки росы в теплом воздухе при этом не должен превышать 2°С при положительной температуре воздуха. Указанные значения дефицита точки росы в начале траектории характерны для случаев образования тумана при скорости ветра у поверхности земли не более 10 м/с. Чем больше скорость ветра, тем интенсивнее турбулентный обмен в нижнем слое и следовательно, перенос продуктов конденсации в подинверсионный слой. Именно этот фактор является решающим для ответа на вопрос, возникнет ли в результате адвекции теплого воздуха туман или слоистые облака.

С синоптической точки зрения адвективные туманы наблюдаются преимущественно в западной части антициклона, в восточной части и теплом секторе циклона, где барический градиент имеет достаточную величину для адвекции влажного теплого воздуха. Адвективно-радиационный туман встречается преимущественно в западной и северных частях антициклонов при умеренной адвекции влажного теплого воздуха с юга и запада. [11]

1.3 Методы прогноза адвективных туманов

Образование адвективного тумана связано с охлаждением  относительно теплой и влажной воздушной массы в процессе ее перемещения на более холодную подстилающую поверхность. Одновременно образуются облака St или Sc, так что туман часто является результатом снижения этих облаков.

Однако нельзя полностью  отождествлять процессы образования адвективных туманов и снижения облаков типа St. Вблизи поверхности земли охлаждение воздушной массы идет наиболее интенсивно, и нередко при четко обозначенной нижней границе St или Sc одновременно наблюдается туман в приземном слое, а при полете можно обнаружить прослойку с более хорошей видимостью между слоем тумана и нижней границей облаков.

В других случаях, например в пересеченной местности, снижение облаков над возвышенностями иногда вызывает локальные туманы снижения облаков, которые при резких колебаниях высоты облаков могут то появляться, то исчезать. Такие туманы могут распространяться и в низины при дальнейшем общем снижении облаков.

К адвективным туманам можно отнести и туманы, связанные с горизонтальным переносом туманной массы (туманы смещения). Туман переносится туда, где скорость ветра не больше, чем в очаге его формирования.

Большие смещения туманов  наблюдаются над морями, где высокая  влажность воздуха в приводном  слое и малые изменения температуры  поверхности воды способствуют длительному сохранению тумана при его перемещении.

В какой-то мере это относится и  к фронтальным туманам. Однако здесь  не только перемещается туманная масса, но и продолжается действие механизма, вызывающего образование тумана (увлажнение воздуха выпадающими осадками, понижение температуры, снижение облаков и т. п.).

Адвективные туманы могут наблюдаться  в любое время суток, хотя обычно они усиливаются ночью в связи  с добавочным радиационным охлаждением воздуха в приземном слое. Наиболее часто адвективные туманы возникают поздней осенью в прибрежных районах суши. К этому времени поверхность суши уже достаточно охлаждена, тогда как с моря могут поступать еще очень теплые и влажные воздушные массы.

Если для радиационных туманов  наиболее благоприятные условия  создаются в центральных частях антициклонов и вдоль осей барических гребней, то для адвективных туманов наиболее благоприятны теплые секторы циклонов и прилегающие к ним окраины антициклонов.

Скорости ветра более 6 м/с неблагоприятны для образования адвективных туманов, хотя в отдельных случаях адвективные ту туманы (главным образом снижения облаков и смещения туманов с моря на берег) наблюдаются и при скоростях ветра более 15 м/с.

При прогнозе адвективного тумана учитываются: 1) перемещения имеющихся областей тумана, если сохраняются условия образования или по крайней мере существования возникшего тумана; 2) адвентивные изменения температуры и точки росы в приземном слое; 3) возможность снижения облаков.

На рис. 1.2 (приложение 1) приведен график Петренко для прогноза адвективных туманов в зависимости от составляющей горизонтального градиента температуры вдоль пути перемещения воздушной частицы в исходный срок и ожидаемой скорости ветра в пункте прогноза. Траектории частиц строятся на 9 часов от срока исходной карты, что обеспечивает заблаговременность прогноза тумана около 6 часов.

В начальной точке траектории снимаются  значения температуры Т' и дефицит точки росы . Затем вычисляется по формуле

,                                                    (1)

где Т — температура воздуха на станции в момент наблюдения, S — расстояние между начальной и конечной точками траектории.

По  и ' в верхней части рис. 1.2 (приложение 1) определяется возможность образования адвективного тумана через 9 часов.

Если точка, соответствующая  значениям этих параметров, попадает в область тумана, тогда от нее  надо опуститься по вертикали до пересечения с изотахой (горизонтальные линии), соответствующей ожидаемой через 9 часов скорости ветра V в пункте прогноза. Туман прогнозируется, если точка пересечения на графике попадет в область тумана.

  Подобные графики рекомендуется строить для каждого географического района. Детализация возможна путем учета направления траектории частицы и свойств подстилающей поверхности (особенно границы снежного покрова). Например, согласно исследованию Е. П. Драневич, в Ленинградской области адвективные туманы образуются лишь при перемещении теплых воздушных масс с юга ,юго-запада и запада при положительной адвекции удельной влажности. При северо-западных траекториях даже в очень теплых воздушных массах туман не возникает. Причина заключается в большой неустойчивости таких воздушных масс и потере ими части влаги при переваливании через Скандинавские горы. За 12 часов до образования тумана в большинстве случаев

(T'_d — T_d)

 Вблизи берега моря образование адвективного тумана тесно связано с разностью температур вода — суша.

Помимо местного уточнения  графика, целесообразно дополнительно  рассмотреть влияние на образование  тумана скорости ветра в прибрежной зоне и устойчивости поступающей  воздушной массы.

Над открытым морем адвективный туман образуется в любое время года при смещении воздушной массы с теплой поверхности моря на холодную. Чем больше горизонтальный градиент температуры поверхности воды вдоль траектории воздушной массы, тем благоприятнее условия для образования тумана. Именно с большими градиентами температуры связаны частые туманы в районах островов Ньюфаундленд, Медвежий и в ряде других районов моря.

Летом образование адвективных  туманов может быть связано с  перемещением очень теплого воздуха с суши на относительно холодную поверхность моря, например через север Европейской территории РФ на Баренцево и Карское моря.

На побережьях дальневосточных  морей летом часто наблюдается  вынос морского адвективного тумана ночью в глубь материка на расстояние нескольких километров от берега. Такие туманы характерны, например, для районов Владивостока, Магадана, Южно-Сахалинска. Как уже отмечалось, возникший над морем туман может перемещаться на значительные расстояния от места непосредственного возникновения. При прогнозе адвективных туманов необходимо следить за изменениями высоты облаков, особенно вблизи линии фронта.

 Для теплых фронтов и теплых фронтов окклюзии туман характерен при слабых ветрах (медленное перемещение фронта) и выпадении лишь слабых осадков (особенно мороси). Крупнокапельный дождь или интенсивный снег редко сопровождается туманом, наоборот, они способствуют рассеиванию тумана в приземном слое, так как коагуляция капель и переконденсация пара (перенос пара с мелких капель на крупные) приводят к уменьшению числа мелких капель. С другой стороны, испарение капель увлажняет приземный слой воздуха, что благоприятствует образованию фронтальной разновидности тумана испарений, рассматриваемой ниже.

Прогноз рассеяния адвективных  туманов дается тогда, когда ожидается прекращение действия факторов, благоприятствующих его образованию или сохранению, и появляются факторы противоположного действия:

1) исчезновение теплого сектора  циклона в процессе его окклюдирования;

2) прекращение адвекции тепла  в связи с изменением направления  ветра или при достижении воздушной массой температуры равновесия;

3) понижение точки росы в связи  с конденсацией (сублимацией) водяного пара в приземном слое. Особенно значительное осаждение влаги происходит на снежном покрове при температурах, отличающихся от 0° С. В связи с этим над снежным покровом резко уменьшается вероятность адвективного тумана, если уменьшение водяного пара не восполняется положительной адвекцией удельной влажности;

4) увеличение в пограничном слое  при понижении удельной влажности с высотой и возрастании вертикального турбулентного обмена, значительное усиление ветра;

5) переход тумана в морось  или выпадение интенсивных осадков,  что, как отмечено выше, способствует  рассеянию тумана.

Адвективный туман  следует ожидать в том случае, когда согласно прогнозу синоптического положения ожидаются условия благоприятные для адвекции теплого влажного воздуха на более холодную подстилающую поверхность. Адвективные туманы могут наблюдаться в любое время суток, причем они усиливаются ночью, в связи с добавочным радиационным охлаждением воздуха. Наиболее часто адвективные туманы возникают поздней осенью и зимой, когда поверхность суши достаточно охлаждена, тогда как с моря могут поступать достаточно теплые и влажные воздушные массы.

Разработку прогноза адвективного тумана можно проводить как с  применением расчетных методов, так и с помощью синоптического метода. Синоптический метод применяется, когда в притекающей воздушной массе адвективный туман уже наблюдается и необходимо только рассчитать время прихода в данный пункт передней границы области тумана. При прогнозе перемещения этой области, следует принимать во внимание ее расширение ночью, в связи с радиационным охлаждением подстилающей поверхности, и сокращения днем вследствие нагревания поверхности земли. В переходные сезоны года необходимо еще учитывать положение границы снежного покрова. При отрицательных температурах над снежной поверхностью – область адвективного тумана уменьшается.

Большое распространение  и развитие получили расчетные методы прогноза адвективных туманов. Данные способы применяются когда невозможно воспользоваться синоптическим методом и возникли благоприятные синоптические условия для образования тумана.

Метод и.В. Кошеленко является одним из расчетных методов и позволяет прогнозировать адвективный туман с заблаговременностью 8 – 10 часов.

Алгоритмы прогноза:

1) построить траекторию  воздушной частицы и определить  длину траектории (DL), выраженную в сотнях километров;

2) в начале траектории  в радиусе 100 – 150 км определить среднее значение температуры притекающего воздуха (Т¢);

3) определить прогностическое  значение скорости ветра на  высоте флюгера (v, м/с);

4) вычислить составляющую  горизонтального градиента температуры  вдоль траектории (DТ/DL);

,                                           (2)

где Т₀ – значение температуры в пункте прогноза;

5) по значению DТ/DL и прогностической скорости ветра v войти в график (см. приложение 1) и определить возможность образования тумана.

Для прогноза адвективного тумана в центре Европейской территории России, по исследованию Н.В. Петренко, более показательной в период с октября по апрель является положительная разность между точкой росы приходящей воздушной массы и начальной точки росы в данном районе. Правда, более чем в четверти случаев туман образуется и при отсутствии различия между указанными значениями точки росы. Но это возможно лишь при перемещении воздушной массы на холодную влажную почву (или на замерзшую почву и снег), когда для образования тумана достаточно небольшого радиационного охлаждения воздуха. На основании этих предпосылок Н.В. Петренко создал метод прогноза адвективного тумана с заблаговременностью 8 – 10 часов.

Алгоритм прогноза:

1) построить  траекторию воздушной частицы  и определить длину траектории (DL), выраженную в сотнях километров;

2) вычислить составляющую  горизонтального градиента температуры  (DТ/DL) и составляющую горизонтального градиента температуры точки росы (DТ_d/DL) по формулам:

                                            (3)

                                        (4)

где Т¢ температура в исходном районе; Т₀ – температура в пункте прогноза; Т_d¢ – температура точки росы в исходном районе; Т_d – температура точки росы в пункте прогноза.

3) определить  дефицит точки росы в начале  траектории (Д¢);

4) спрогнозировать  скорость ветра и определить  возможность образования адвективного тумана по графику (см. приложение 2).

Также, одним  из распространенных методов является и метод А.А. Щадриной. В основу данного метода положено предположение о том, что адвективный туман образуется в том случае, когда температура приходящего воздуха понижается до точки росы этого же воздуха. Степень этого охлаждения будет характеризоваться температурой в пункте прогноза (Т) и температурой точки росы в начале траектории (Т_d¢). Поэтому при условии:

Т_d¢-Т ³ 0

прогнозируется туман. Данное условие реализовано в  виде графика ( см. приложение 3). [6]

2. Исследование особенностей образования адвективных туманов

в районе аэродрома

2.1 Краткая физико-географическая  характеристика района аэродрома

Аэродром Тверь  расположен на юго-западной окраине города (рисунок 3). Данная местность располагается в центральной части Русской равнины в излучине реки Волга, на ее правобережье. Высота аэродрома над уровнем моря составляет 141м. Общий рельеф местности равнинный с густой сетью рек, болот, лесных массивов. Почва супесчаная с травянистым покровом.

Район аэродрома расположен в зоне избыточного увлажнения, обусловленного недостатком тепла на испарение осадков. Это сказывается на степени заболоченности территории, залегании грунтовых вод и режиме рек.

2.2. Характеристика исходного аэросиноптического материала

Исходным материалом для исследования послужили наблюдения за адвективным туманом по району аэродрома Тверь за период сентябрь-декабрь с 1991 по 2001 гг. Основу архивного материала составили кольцевые карты и дневники погоды.

По кольцевым  картам погоды определялись синоптические ситуации, благоприятные для образования адвективных туманов (теплый сектор циклона, западная переферия антициклона, восточная часть циклона). Для дней, соответствующих данным синоптическим ситуациям по картам и дневникам погоды определялись необходимые предикторы для прогноза и исследования адвективных туманов в районе аэродрома.

Параллельно с  анализом кольцевых карт рассматривались фактическое наличие или отсутствие адвективного тумана по дневникам погоды.

На основе перечисленного архивного материала была составлена архивная выборка, в которую вошли 98 случаев с наличием тумана и 102 случая с его отсутствием. В свою очередь вся выборка (N) была разделена на исходную (N1) и контрольную (N2), табл.

По материалам обучающей выборки строились  прогностические уравнения (таблицы, графики), а по материалам контрольной выборки с помощью этих уравнений разрабатывались прогнозы адвективного тумана и оценивалась их эффективность.

2.3. Особенности образования адвективного  тумана в районе 

аэродрома

Анализ аэросиноптического материала позволил выявить некоторые  особенности образования и развития адвективного тумана в районе аэродрома. Прежде всего, было определено распределение количества тумана в зависимости от синоптической ситуации. Результаты анализа представлены в табл.

Повторяемость адвективного тумана по типам синоптических  ситуаций

Из анализа  таблицы следует, что наиболее благоприятная  синоптическая ситуация для образования адвективного тумана - западная переферия антициклона (65.3%), где образованию адвективного тумана, также как и низкой облачности способствует безоблачная или малооблачная погода в области повышенного давления со слабыми ветрами. Менее всего вероятно развитие адвективного тумана в восточной части циклона (14.2%).

Одной из характеристик  климатической повторяемости туманов  является распределение числа случаев с туманами по месяцам. Всвязи с тем, что адвективные туманы возникают, как правило в переходные и холодные периоды года, в архивную выборку были включены случаи за сентябрь, октябрь, ноябрь, декабрь т.е. за осенне-зимний период.

В результате климатической обработки данных была получена таблица повторяемости адвективных туманов по месяцам.

Повторяемость адвективного тумана по месяцам

Как видно из таблицы основное количество случаев приходится на осенние месяцы (79.6%), причем наибольшую повторяемость (28.6%) они имеют в сентябре, а наименьшую (24.5%) – в ноябре месяце. Реже всего адвективные туманы наблюдаются в декабре (20.4%) и причем в эти месяцы они бывают неежегодно.

В следующей  таблице представлены результаты исследования повторяемости туманов по времени суток.

Повторяемость адвективного тумана по времени суток

Анализ данных свидетельствует о том, что туманы в исследуемом районе возникают преимущественно в первой половине дня с 3 до 12 часов (89.8%). Наиболее часто они наблюдались в период с 3 до 6 часов (69.4%). Наименьшую повторяемость туманы имеют во вторую половину дня с 15 до 24 часов (10.2%).

Исследование  данных о времени начала образования  и окончания адвективных туманов позволило получить распределение повторяемости туманов различной продолжительности.

Повторяемость туманов различной продолжительности

Как видно из таблицы, чаще всего (51%) продолжительность  туманов составляет от 6 до 10 часов, значительно реже – более 14 часов.

Сведения о  температуре воздуха у поверхности  Земли при туманах могут быть получены из табл.

Повторяемость туманов в зависимости от температуры воздуха у

поверхности Земли

Анализ данных таблицы показал, что наиболее часто туманы возникают при температуре от 0 до 9 градуса (75.5%), причем наибольшая повторяемость (30.6%) соответствует градации 0-3 градуса.