изменение высоты нижней границы облачности

Заключение

Подведем основные итоги работы. В теоретической части работы показано, что давление водяного пара убывает с высотой медленнее, чем давление насыщения, благодаря чему существует уровень конденсации, на котором относительная влажность достигает значения 100%. Высота уровня конденсации хорошо параметризуется через приземную относительную влажность или приземное значение дефицита точки росы. При этом увеличение приземной относительной влажности ведет к уменьшению высоты уровня конденсации. В свою очередь уровень конденсации можно считать теоретической оценкой высоты нижней границы облаков. Далее указано, что морфология облаков взаимосвязана с высотой их основания. Указано, что особое значение параметр высоты нижней границы облаков играет в авиации, вследствие последнего аэропортовы ...

Содержание
Введение 2
Глава 1. Теория образования и измерения высоты облаков 3
1.1. Водяной пар в атмосфере. Уровень конденсации 3
1.2.Методы определения высоты нижней границы облаков 8
Выводы к главе 1 14
Глава 2. Статистическая обработка рядов высоты нижней границы облаков 15
2.1. Сезонные вариации высоты нижней границы облаков 15
2.2. Зависимость высоты нижней границы от формы облаков 19
и времени суток 19
Выводы к главе 2 23
Заключение 24
Список литературы 25

Введение

Работа посвящена анализу рядов высоты нижней границы облаков на примере архивных данных аэропорта Шереметьево за 2015 год. Глава 1 носит теоретический характер. В разделе 1.1 дается обзор величин, которыми характеризуется содержание водяного пара в воздухе, рассматривается вопрос образования уровня конденсации и приводятся эмпирические выражения для определения его высоты. Раздел 1.2 содержит краткое описание методов, позволяющих наземному наблюдателю определить высоту нижней границы облаков. Указываются недостатки этих методов и описываются источники архивных данных, использованных в работе.
Глава 2 представляет собой практическую часть работы. В разделе 2.2 рассматриваются сезонные закономерности изменения высоты облаков, а также показана частота встречаемости отдельных значени й исследуемой величины по интервалам высот. Раздел 2.2. рассматривает связь морфологических признаков облаков с высотой их нижней границы. Представлен суточный ход высоты облаков. В заключении сформулированы основные выводы по проделанной работе.

6 - 8
Перисто-слоистые
Cs
6 - 8
Облака среднего яруса
Высококучевые
Ac
2 - 6
Высокослоистые
As
3 - 5
Облака нижнего яруса
Слоисто-кучевые
Sc
0.8 - 1.5
Слоистые
St
0.1 - 0.7
Слоисто-дождевые
Ns
0.1 - 1.0
Облака вертикального развития
Кучевые
Cu
0.8 - 1.5
Кучево-дождевые
Cb
0.4 - 1.0
В таблице 1 представлены 10 родов облаков и средние значения их высот. Отметим также, что представленные в таблице роды облаков разбиваются на виды: волокнистые, туманообразыне, однородные, волнистые, разорванные, плоские, лысые и др. При определении высоты облаков морфологическим методом наблюдаемые формы облаков сравнивают с атласом. Недостатки метода заключается в низкой точности, субъективности наблюдателя и в возможности его применения только в светлое время суток.
На метеостанциях, не оборудованных приборами для измерения высоты нижней границы облаков, эта величина визуально оценивается наблюдателем с помощью видимых на горизонте ориентиров, высота которых известна [6]. В качестве ориентиров выступают сооружения башенного типа, колокольни, радиомачты и т.п. Недостаток метода – высокая погрешность, которая может доходить до 100%.
Более точным является метод с применением шаров-плотов. Идея метода заключается в выпускании в свободный полет шара, наполненного водородом или гелием [9]. Скорость подъема при этом определяется выражением [м/мин]:
(15)
где A — подъемная сила шара, a – числовой коэффициент (a = 16.5 при A<140 и a = 18.9 при A = 210),C –длина окружности шара. Наблюдатель, отсчитывая по секундомеру время подъема τ, замечает момент, когда шар начинает туманиться. Зная скорость и время подъема можно определить высоту нижней границы облаков:
(16)
Преимущество данного метода состоит в его применимости в ночное время, а главный недостаток — субъективность в оценке момента времени достижения нижней границы облаков.
В прошлом широко применялся прожекторный метод [4, 9]. Схема метода показана на рисунке 4. В точке Aрасполагается прожектор, луч которого направлен вертикально вверх. В точке B, находящейся на расстоянии Lот точки A(обычно L≈ 150-500 м), находится угломерный прибор (теодолит). Измеряя вертикальный угол светового пятна, оставляемого на облаках лучами прожектора, можно найти высоту нижней границы облаков:
(17)
Недостатком прожекторного метода является его применимость главным образом в ночное время, а также требование наличия облаков непосредственно над прожектором.
Рис. 4. Прожекторный метод определения высоты нижней границы облаков
Знание высоты нижней границы облаков представляет особый интерес для авиации, вследствие чего метеостанции в аэропортах снабжаются измерителями высоты облачности (ИВО), использующими светолокационный метод. Рассмотрим принципиальную схему измерителя высоты облачности ИВО-1М (Рис. 5).
Передатчиком является импульсная лампа, которую располагают в фокусе вогнутого зеркала. Генератор развертки формирует импульсы с частотой 20 Гц. Отраженный от облака сигнал попадает в приемник, которыйтакже представляет собой вогнутое зеркало, в фокусе которого расположен фотоэлектронный умножитель для усиления и преобразования светового сигнала в электрический. Далее сигнал поступает в видеоусилитель и подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. На экране появляется облачный импульс. Чем выше облако, тем правее на экране расположен импульс. Автоматический регулятор усиления (АРУ) служит для нормирования импульса на экране на постоянную величину. Схема компенсации подает на горизонтально отклоняющие пластины постоянное напряжение. Генератор меток используется для калибровки прибора. Точность измерения зависит от высоты облаков. Для высоты от 50 до 100 м точность равна 10%±5 м, для интервала от 100 до 500 м точность составляет 7%±10 м, для интервала от 500 до 1500 м точность равна 5%±50 м.Здесь укажем, что требуемая точность определения высоты облаков согласно требованиям WMO составляет 0.5/1 км [10, 11].
Рис. 5. Схема измерителя облачности ИВО-1М
Недостаток светолокационного метода состоит в ограниченности во время плохих погодных условия и туманах.
Менее чувствительным к погодным условиям является радиолокационный метод, реализованный в метеорологическом радиолокаторе МРЛ-5 [2]. Антенна передатчика МРЛ-5 состоит из малого и большого отражателей с общим фокусом. В фокусе размещается двухканальный облучатель, который работает на УКВ каналах с длинами волн 3.2 см и 10 см. Диаметр большого отражателя 4500 мм, малого 1400 мм. Положение отражателей может меняться с помощью электропривода, благодаря чему обеспечивается сканирование УКВ сигналами небесной сферы по азимуту и по углу места. Регистрируя радиоэхо от облаков, локатор определяет наклонную дальность до них. Зная три полярные координаты (азимут, угол места и дальность) можно определить координаты и высоту облаков. Визуализация полученной информации осуществляется на индикаторе кругового обзора. Таким образом, радиолокаторный метод позволяет в непрерывном режиме получать положение облаков вокруг станции с высокой точностью. Недостатком является громоздкость конструкции и ее высокая стоимость. Также недостатком радиодиапазона является расходимость радиосигнала, что снижает точность угловых координат.
Этот недостаток в значительной мере преодолен лидарном методе. Рассмотрим в качестве примера лазерный датчик ДОЛ-2 [12]. Он осуществляет вертикальное зондирование высоты нижней границы облаков и профиля оптической плотности атмосферы. Максимальная измеряемая высота облаков составляет 3000 м. Погрешность измерения для высот от 10 м до 100 мсоставляет 10 м, для интервала от 100 м до 2000 м погрешность возрастает по формуле 5 м + 0.05×ВНГО [м]. Достоинствами лазерного зондирования является возможность измерения высоты сразу нескольких слоев облаков, непрерывность, небольшие размеры установки (370х380х960 мм3), высокая точность. Главный недостаток – дороговизна оборудования.
Также существуют спутниковые методы определения высоты облаков, основанные на регистрации изображения одного и того же участка облачности с разных точек орбиты [4].
Архив измерений высот нижней границы облаков в аэропортах доступен в составеметеорологических сводокMETAR (METeorologicalAerodromeReport). Эти сводки составляются для предполетной подготовки на аэродроме вылета и обеспечения пилотов погодной информацией на аэродроме назначения. В состав отчета METAR входит информация о направлении и скорости ветра, горизонтальной видимости, погодных явлениях, температуре воздуха, температуре точки росы, давлении, количестве облаков, высоте нижней границы облаков. Стоит отметить, что значение высоты облаков, измеренное на аэродромных метеостанциях, округляется до 100 футов в меньшую сторону и в таком виде кодируется в сводкеMETAR.Последнее означает, что высота облаков дается с точность до 100 футов, что соответствует 30.5 м. Округление в меньшую сторону связано с обеспечением безопасности полетов, для которой важно, чтобы ожидаемые погодные условия не были хуже реальных.
Данные сводок METAR доступны в сети интернет на сайте Расписание Погоды RP5 (http://rp5.ru). Временная дискретность сводок составляет полчаса. Для практической части работы выбран архив измерений для аэропорта Шереметьево за 2015 год. Географические координаты аэропорта: 55° 58' с.ш. и 37° 25' в.д. Высота над уровнем моря: 187 м. Дополнительно была использована информация о типах наблюдаемых облаков, полученная с ближайшей метеостанции Москва (ВДНХ). Станция расположена в 19 км от аэропорта.
Выводы к главе 1
В разделе 1.1 главы 1 рассмотрены величины, которыми характеризуется содержание водяного пара, приведен обзор эмпирических выражений для вертикального профиля давления водяного пара. Показано, что давление насыщения убывает быстрее давления водяного пара, благодаря чему их высотные кривые пересекаются в точке, называемой уровнем конденсации. На высотах выше этого уровня благодаря наличию ядер конденсации начинается процесс облакообразования. Установлено, что высота уровня конденсации функционально связана с приземной относительной влажностью и дефицитом точки росы. Дан краткий перечень такого рода параметризаций.
В разделе 2.2. приведен обзор методов определения высоты нижней границы облаков. Наиболее грубым является морфологический метод, основанный на визуальном определении формы облаков. Также достаточно грубым способом является определение высоты облаков по ориентирам в виде построек башенного типа. Отмечены недостатки устаревших инструментальных методов – шаропилотного и прожекторного. Установлено, что радиолокационный и лидарный методы позволяют вести зондирование облаков в непрерывном режиме, как в ночное, так и дневное время с высокой точностью, однако стоимость оборудования ограничивает распространения этих методов. Наиболее используемый сейчас метод – светолокационный – обладает лучшим соотношением по точности и цене. Этот метод реализован в инструментах ИВО-1М, установленных на аэропортовых метеостанциях.
Глава 2. Статистическая обработка рядов высоты нижней границы облаков
2.1. Сезонные вариации высоты нижней границы облаков
Как указывалось выше, данные получены нами с сайта Расписание погоды RP5для аэропорта Шереметьево за 2015 год. С этого сайта доступны для скачивания отчеты METAR в формате csv. На этапе предобработки были исключены отчеты за те моменты времени, в которых либо облачность не наблюдалась, либо нижняя граница облаков наблюдалась на больших высотах (более 2500 м). Далее были рассчитаны для каждого момента времени дефицит точки росы, уровни конденсации по формулам Ипплотова и Ферреля.Общий объем выборки равен 7321 значение. На рисунке 6 показан годовой ход высоты нижней границы облаков.
Рис. 6. Ход высоты нижней границы облаков в аэропорту Шереметьево за 2015 г.
В целом можно наблюдать на мгновенных значениях, что исследуемая величина имеет тенденцию к увеличению в середине года (летом) и уменьшению зимой. Как можно видеть из рисунка 7 ход относительной влажности имеет в целом противоположный вид: минимум летом, максимум зимой. Таким образом, подтверждается общее предположение о сезонном изменении высоты нижней границы облаков, сделанное в теоретической части данной работы. Средние значения высоты облаков составили 475.7 м зимой, 718.9 м весной, 984.2 м летом и 473.2 м осенью. Интересно при этом, что зимнее и осеннее значения почти совпали. Чтобы оценить вариативность высоты облаков, для каждого сезона рассчитано среднеквадратическое отклонение (флуктуация). Зимой оно составило 350.2 м, весной 489.7 м, летом 558.2 м, осенью 417.2 м.
Рис. 7. Ход относительной влажности воздуха в аэропорту Шереметьево за 2015 г.
Из приведенных данных следует, что максимальная переменность высоты облаков приходится на лето, что можно объяснить большими абсолютными значениями этой величины.Поэтому целесообразно оценить и относительную флуктуацию:
(18)
где m – среднее за сезон, σ – сезонная флуктуация. Для зимы сезонная флуктуация равна 73.6%, для весны 68.1%, для лета 56.7%, для осени 88.1%. Относительная флуктуация обычно является наиболее удачной характеристикой неспокойности климата, что объясняет ее осенний максимум.
Оценим частоту встречаемости значений высоты нижней границы облаков (ВНГО). Для этого разобьем интервал высот от 0 до 2.5 км на отрезки по 200 м каждый и посчитаем количество случаев попадания наблюдаемых значений ВНГО в каждый из интервалов. Количество падания в каждый интервал далее выразим в процентах от общего объема выборки. Результат представим в виде гистограммы на рисунке 8.
Рис. 8. Частота встречаемости значений ВНГО
Наиболее часто встречаются высоты облаков в интервале от 200 м до 400 м (31%). На высоты менее 1000 м приходится 82.2% всех случаев.
Найдем эмпирические регрессионные соотношения между высотой нижней границы облаков (ВНГО) и относительной влажностьи дефицитом точки росы:
Для этого воспользуемся методом наименьших квадратов:
Здесь A и B – матрицы систем уравнений, L – матрица измерений (в данном случае в качестве измерений - ВНГО). Получены следующие численные оценки:
Стандартное отклонение остаточных разностей для обеих формул составило 350 м. При исключении грубых отклонений (по критерию два сигма, т.е. более 700 м) коэффициенты почти не меняются:
(19)
Сравнивая эти формулы с формулами Ипполитова (12) и Ферреля (14) можно заметить, что значения коэффициентов почти совпали.