Что должен знать и уметь оператор коптера. Часть 3. Основы авиационной метеорологии и аэродинамики. Пособие

– метрах в секунду (м/с),

– километрах в час (км/ч),

– узлах (морская миля в час),

– баллах шкалы Бофорта.

Шкала Бофорта

Часто используют и качественные характеристики скорости ветра (в м/с):

слабый – до 3 м/с

умеренный – 4—7 м/с

сильный – 10—12 м/с

очень сильный – 12—15 м/с

шторм – 15—20 м/с

жесткий шторм – 20—25 м/с

ураган – более 29 м/с

1 м/с = 3,6 км/ч, 1 узел = 1,852 км/ч

Для измерения скорости ветра у земли используются анемометры, для определения направления – флюгера. Скорость ветра измеряется с точностью до 1 м/с, направление – до 10°.

Анемометр ручной чашечный, флюгер станционный (Вильда) и анеморумбограф

Вследствие турбулентности воздушных потоков для ветра характерно непостоянство скорости и направления, поэтому по скорости различают ровный и порывистый ветер, по направлению – постоянный и меняющийся.

Ветер считается порывистым, если его скорость в течение 2 мин изменяется на 4 м/с и более. Когда направление ветра за 2 мин изменяется более чем на одни румб, такой ветер называется меняющимся.

Кратковременное резкое усиление ветра (до 20—30 м/с) со значительным изменением его направления называется шквалом.

В пограничном слое атмосферы для скорости ветра характерен значительный суточный ход. Вблизи земли она днем имеет максимальное значение, а ночью – минимальное, на высотах же – она максимальна ночью и минимальна днем.

С увеличением высоты, как правило, увеличивается и скорость ветра. Так, на высоте 500 м скорость ветра примерно в два раза больше, чем у поверхности земли.

Ветер оказывает существенное влияние на полеты ЛА. При выполнении маршрутного полета наличие ветра приводит к изменению путевой скорости полета на различных участках маршрута. Максимальная путевая скорость будет при попутном ветре, минимальная – при встречном.

В целях обеспечения безопасности для каждого типа БЛА установлена максимальная скорость ветра, при которой разрешается выполнять полет. При скорости ветра большей установленных ограничений выполнение полетов БЛА запрещено.

При установившемся горизонтальном движении воздуха в пограничном слое атмосферы, если отсутствует центробежная сила, то сила горизонтального барического градиента уравновешивается равнодействующей сил Кориолиса и трения. При наличии силы трения в северном полушарии ветер отклоняется от направления изобары влево, т.е. против часовой стрелки. Это закон Бейс-Балло или барический закон ветра для пограничного слоя атмосферы.

Изобара на приземной карте погоды направлена так, что низкое давление находится слева от нее, а высокое – справа. Поэтому если в северном полушарии встать лицом по потоку, то область низкого давления будет располагаться слева и впереди от наблюдателя, а область высокого давления – справа и позади от него.

Исключение из барического закона ветра – местные ветры, дующие по горизонтальному барическому градиенту, который появляется в данном районе за счет неравномерного нагревания различных участков подстилающей поверхности или за счет рельефа.

К местным ветрам относятся:

– Бризы, которые наблюдаются на побережье озер и больших водоемов. Они дуют днем на сушу с водной поверхности (морские бризы), а ночью наоборот (береговые бризы). Их скорость 2—5 м/с, а по вертикали они распространяются до 500—1000 м.

Причина возникновения бризов – неравномерное нагревание воды и суши. Бризы оказывают влияние на условия погоды в береговой полосе, вызывая понижение температуры, повышение абсолютной влажности, сдвиги ветра.

– Горно-долинные ветры, которые возникают в результате неравномерного нагревания и охлаждения воздуха непосредственно у склонов высоких холмов. Днем воздух поднимается по склону из долины вверх и называется долинным ветром. Ночью спускается вниз со склонов и называется горным.

Местные ветры, свойственные определенным районам, оказывают большое влияние на работу авиации. Усиление ветра, вызванного особенностями рельефа данной местности, затрудняет пилотирование БЛА, а иногда является и опасным для выполнения полета.

Вертикальные движения воздуха

В атмосфере постоянно происходят вертикальные движения. Они играют важнейшую роль в таких атмосферных процессах, как перенос тепла и водяного пара по вертикали, образование облаков и осадков, рассеяние облаков, развитие гроз, возникновение турбулентных зон и т. д.

Вертикальные движения воздуха в циклоне (а) и антициклоне (б)

В зависимости от причин возникновения различают следующие виды вертикальных движений:

– Конвекция – вертикальные движения воздуха со скоростью до нескольких десятков м/с под действием архимедовой силы. Различают термическую и вынужденную конвекцию.

Термическая конвекция возникает в результате неравномерного нагревания солнечными лучами подстилающей поверхности вследствие ее неоднородности.

Термическая конвекция может быть неупорядоченной и упорядоченной.

Неупорядоченная конвекция – термическая турбулентность, которая существует в виде беспорядочных струй или пузырей воздуха, которые называются термиками и имеют характерный размер несколько десятков метров. Более теплые термики как более легкие поднимаются вверх, а более холодные (тяжелые) – опускаются вниз.

Упорядоченная конвекция характеризуется тем, что в восходящих и нисходящих движениях участвуют достаточно большие массы воздуха. Восходящие струи имеют характерные размеры до нескольких десятков километров. Упорядоченная конвекция развивается до больших высот и может охватывать всю тропосферу. Скорость восходящих потоков может достигать нескольких десятков метров в секунду.

С упорядоченной конвекцией связано развитие кучево-дождевых облаков.

Термическая конвекция имеет хорошо выраженный суточный и годовой ход с максимумом развития летом в послеполуденные часы. Термическая конвекция наблюдается также в холодной воздушной массе при ее движении над теплой подстилающей поверхностью.

Вынужденная конвекция возникает на атмосферных фронтах при вытеснении теплого воздуха в верхние слои атмосферы, а также при натекании воздуха на крутые наветренные склоны холмов (орографическая конвекция). Особенно часто вынужденная конвекция наблюдается на холодных фронтах.

В зонах конвективной деятельности образуются облака вертикального развития, которые называются конвективными или кучевообразными облаками. К ним относят кучевые (Сu) и кучево-дождевые облака (Сb).

Динамическая конвекция, или динамическая турбулентность – беспорядочные вихри в атмосфере, возникающие при ветре и трении воздуха о подстилающую поверхность. Эта турбулентность называется иногда механической. Она наблюдается в любое время года и суток в пограничном слое атмосферы и зависит по интенсивности от скорости ветра и шероховатости (неровностей) подстилающей поверхности, т.е. от орографии. Чем сильнее ветер и больше коэффициент трения, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, тем интенсивнее динамическая турбулентность.

Скорость вертикальных движений при динамической турбулентности может достигать нескольких м/с. При этих условиях образуются слоисто-кучевые облака (Sc).

Динамическая конвекция наблюдается в слое от земли до высоты 1—1,5 км (пограничный слой).

Термическая и динамическая конвекции зачастую наблюдаются одновременно, определяя неустойчивое состояние атмосферы.

Вынужденные вертикальные движения воздуха.

Они бывают в виде упорядоченных восходящих скольжений и в виде вертикальных движений.

Восходящее скольжение – это упорядоченный подъем со скоростью 5—10 см/с теплого воздуха по клину холодного воздуха на атмосферных фронтах.

Восходящее скольжение наблюдается также при натекании теплого воздуха на пологие склоны холмов – орографическое восходящее скольжение. Горизонтальная протяженность зон восходящего скольжения на атмосферных фронтах – до нескольких тысяч километров.

В результате восходящего скольжения образуются слоистообразные облака: слоисто-дождевые (Ns), высоко-слоистые (As) и перисто-слоистые (Cs).

Волновые движения воздуха возникают в слое инверсии и по обе стороны от него вследствие разрыва скорости ветра и плотности (температуры) воздуха. Образуются воздушные волны длиной от 50 до 2000 м. В вершинах (гребнях) волн наблюдаются восходящие движения, а в долинах (ложбинах) волн – нисходящие движения воздуха.

В результате волновых процессов образуются волнообразные облака: слоисто-кучевые (Sc), слоистые (St), высококучевые (Ac), перистокучевые (Cc). Волнообразные облака имеют максимум повторяемости ночью в холодный период года.

Волновые движения в атмосфере также могут наблюдаться и над холмами на их подветренной стороне (подветренные или стоячие волны).

Наветренная – обращена туда, откуда дует ветер. Подветренная – обращена туда, куда дует ветер. Т.е. если стать спиной к ветру, то спина – наветренная сторона, а лицо – подветренная.

В поднимающемся воздухе температура понижается, в опускающемся – повышается. При подъеме ненасыщенного воздуха водяной пар, содержащийся в нем, вследствие понижения температуры приближается к состоянию насыщения.

Высота, на которой водяной пар в поднимающемся воздухе достигает насыщения, называется уровнем конденсации. Очевидно, что на уровне конденсации температура воздуха равна точке росы, а высота уровня конденсации зависит от дефицита точки росы у земли. Чем меньше этот дефицит, тем ниже уровень конденсации.

При подъеме воздуха выше указанного уровня происходит конденсация водяного пара и образование облаков. Их нижняя граница обычно на 100—200 м превышает уровень конденсации. Объясняется это тем, что для образования видимого облака должно сконденсироваться определенное количество влаги, для чего требуется некоторое добавочное охлаждение насыщенного воздуха ниже точки росы.

При вертикальных движениях воздушная масса может подниматься вверх до тех пор, пока ее температура не сравняется с температурой окружающего воздуха.

Высота, до которой может распространяться восходящий воздушный поток, называется уровнем конвекции. Уровень конвекции обычно бывает тем ниже, чем меньше величина вертикального температурного градиента у воздуха.

Для образования облаков существенное значение имеет взаимное расположение уровней конвекции и конденсации. Если уровень конвекции лежит выше уровня конденсации, то между этими слоями, как правило, возникают облака.

Если уровень конвекции лежит ниже уровня конденсации (например в засушливой местности), то восходящие потоки не приводят к образованию облаков.

Расположение уровней конденсации и конвекции: а) благоприятное для образования облаков; б) неблагоприятное для образования облаков.

Вертикальные движения воздуха приводят к образованию опасных для полетов кучево-дождевых облаков, сопровождающихся грозовыми явлениями, шквалистыми ветрами, ливневыми осадками, а иногда и крупным градом.

Восходящие движения воздуха создают на атмосферных фронтах (разделах между воздушными массами) мощные облачные образования и обширные зоны осадков.

5. Облака

Облака являются одним из важнейших метеорологических элементов, оказывающих влияние на полеты.

Облака представляют собой видимое скопление капель воды и кристаллов льда, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии на некоторой высоте над земной поверхностью. В этой связи облака подразделяются на ледяные, водяные и смешанные (из кристаллов и капель).

Облака образуются в результате конденсации и сублимации водяного пара. Главной причиной их образования является адиабатическое (без обмена теплом с окружающей средой) понижение температуры в поднимающемся влажном воздухе, приводящее к конденсации водяного пара; турбулентный обмен и излучение, а также наличие ядер конденсации.

Определяют три параметра облаков: форма, количество, высота нижней границы.

Количество облаков определяется визуально либо в десятых долях (баллах) закрытия видимого небосвода (например, если облаками закрыт весь небосвод – 10 баллов, половина – 5 баллов), либо в октантах (1 октант = 1/8 часть закрытия видимого небосвода).

Согласно международной классификации облака по внешнему виду делятся на 10 основных форм, а по высотам – на четыре класса.

Облака верхнего яруса располагаются на высоте от 6000 м и выше, представляют собой тонкие белые облака, состоят из ледяных кристаллов, имеют маленькую водность, поэтому осадков не дают. Мощность мала: 200—600 м.

К ним относятся: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые.

Перистые облака (Ci, cirrus), имеющие вид белых нитей, крючков. Являются предвестниками ухудшения погоды, приближения теплого фронта. Особенностью этих облаков является оптическое явление гало – белые или разноцветные круги вокруг солнца, которые обусловлены преломлением и отражением света в ледяных кристаллах облаков.

Перисто-кучевые облака (Cc, cirrocumulus) – мелкие барашки, мелкие белые хлопья, рябь. Полет сопровождается слабой болтанкой.

Перисто-слоистые (Cs, cirrostratus) имеют вид голубоватой однородной пелены, покрывающей все небо. Полет в них может сопровождаться слабым обледенением, электризацией ЛА.

Облака среднего яруса располагаются на высоте от 2000 м до 6000 м. Они состоят из переохлажденных капель воды в смеси со снежинками и ледяными кристаллами. Полеты в них сопровождаются плохой видимостью.

К ним относятся: высоко-кучевые, высоко-слоистые.

Высоко-кучевые (Ac, altocumulus) имеют вид хлопьев, пластин, волн, гряд, разделенных просветами. Вертикальная протяженность – 200—700 м. Осадки из них не выпадают, полет сопровождается болтанкой, обледенением.

Высоко-слоистые (As, altostratus) представляют собой сплошную серую пелену. Тонкие высоко-слоистые имеют мощность 300—600 м, плотные – 1000—2000 м. Зимой из них выпадают обложные осадки. Полет сопровождается обледенением.

Облака нижнего яруса располагаются на высотах от 50 до 2000 м, имеют плотную структуру, в них плохая видимость, и часто наблюдается обледенение.

К ним относятся: слоисто-кучевые, слоистые облака, слоисто-дождевые.

Слоисто-кучевые (Sc, stratocumulus) состоят из крупных гряд, волн, пластин, разделенных просветами. Нижняя граница – 200—600 м, толщина облаков – 200—800 м, иногда – 1000—2000 м. Это облака внутримассовые, в верхней части слоисто-кучевых облаков наибольшая водность, здесь же и зона обледенения. Осадки из этих облаков, как правило, не выпадают.

Слоистые облака (St, stratus) представляют собой сплошной однородный покров, низко нависший над землей с неровными размытыми краями. Нижняя граница – 100—150 м и ниже, верхняя – 300—800 м. Дают моросящие осадки. Могут опускаться до земли и переходить в туман.

Слоисто-дождевые (Ns, nimbostratus), имеющие темно-серый цвет, большую водность. Дают обильные обложные осадки. Высота нижней границы слоисто-дождевых облаков зависит от близости линии фронта и составляет от 200 м до 1000 м, вертикальная протяженность – 2000—3000 м, сливаясь часто с высоко-слоистыми и перисто-слоистыми облаками.

В качестве разновидности слоистых разорванных облаков выделяются так называемые разорвано-дождевые облака (Frnb, fractonimbus). Это низкие, темно-серые, разорванные облака плохой погоды. Они образуются вследствие турбулентных движений под слоем облаков, дающих осадки, высокослоистых, слоисто-дождевых, кучево-дождевых, и встречаются лишь в сочетании с этими облаками. Сами они осадков не дают, а только пронизываются осадками, выпадающими из вышележащих облаков. Облака имеют нижнюю границу 100 м и ниже 100 м.

Облака вертикального развития. Нижняя граница их лежит в нижнем ярусе, верхняя достигает тропопаузы.

К ним относятся: кучевые, мощно-кучевые, кучево-дождевые.

Кучевые облака (Cu, cumulus) – плотные облачные массы, развитые по вертикали с белыми куполообразными вершинами и с плоским основанием. Нижняя граница их порядка 400—600 м и выше, верхняя граница 2000—3000 м, осадков не дают. Полет в них сопровождается болтанкой, которая на режим полета существенно не влияет.

Мощно-кучевые облака (Cong-cumulus congestus) представляют собой белые куполообразные вершины с вертикальным развитием до 4000—6000 м, осадков не дают. Полет в них сопровождается от умеренной до сильной болтанкой, поэтому входить в эти облака запрещается.

Кучево-дождевые или грозовые (Cb, cumulonimbus) – самые опасные облака. Представляют собой мощные массы клубящихся облаков с вертикальным развитием до 9000—12000 м и выше. С ними связаны грозы, ливни, град, интенсивное обледенение, интенсивная турбулентность, шквалы, смерчи, сдвиги ветра.

Кучево-дождевые облака вверху могут иметь вид наковальни, в направлении которой и смещается облако.

Высота нижней границы облаков (ВНГО) – расстояние от земной поверхности до нижнего основания облака.

ВНГО определяется несколькими способами:

– инструментальным (с помощью светолокатора, по времени прохождения луча до облаков и обратно) с точностью в пределах ±10% в интервале высот от 10 м до 2000 м;

– визуальным (наблюдатель определяет высоту исходя из свойств облачности);

– шар-пилотным (запускается шар, заполненный водородом или гелием, и по времени достижения им НГО (при известной скорости подъема) определяется высота);

– самолетный (с помощью летательного аппарата);

– расчетный (ВНГО оценивают при помощи специальных формул).

Формула Ферреля: Нобл=122 (Т-Тd),

где: Т – температура воздуха в градусах Цельсия (°С), Тd – температура точки росы в °С.

Формула Ипполитова: Нобл=22 (100-f),

где f – относительная влажность воздуха в процентах.

При тумане, осадках или пыльной буре, когда нижнюю границу облаков определить невозможно, результаты инструментальных измерений указываются в сводках как вертикальная видимость.

При определении ВНГО следует учитывать:

– над возвышенными местами облака располагаются ниже на 50—60% разности превышения самих пунктов;

– над лесными массивами облачность всегда расположена ниже;

– над промышленными центрами, где много ядер конденсации, повторяемость облачности увеличивается;

– ВНГ слоистых, разорванно-слоистых и разорванно-дождевых неровная, изменчивая и испытывает значительные колебания в пределах 50—150 м.

6. Атмосферные фронты

Из всего разнообразия воздушных течений в атмосфере можно выделить главные, наиболее значительные по своим масштабам и наиболее устойчивые. Такая совокупность крупномасштабных, охватывающих большие географические районы, и относительно устойчивых (т.е. постоянно существующих) воздушных течений называется общей циркуляцией атмосферы (ОЦА). ОЦА определяется многими факторами, наиболее важными из которых являются: лучистая энергия Солнца, вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности, трение воздуха о земную поверхность.

На картах погоды можно выделить большие районы, в которых наблюдаются относительно однородные метеорологические условия (температура, влажность, характер облачности, горизонтальная видимость и др.). Такие большие массы воздуха в тропосфере, однородные по распределению основных метеорологических величин и перемещающиеся в одном из течений ОЦА, называются воздушными массами (ВМ). В горизонтальном направлении ВМ распространяются на тысячи километров. По вертикали они достигают высоты 1000—2000 м, иногда тропопаузы.

При длительном пребывании над одним и тем же районом, который называется очагом формирования, ВМ приобретают все свойства данной подстилающей поверхности. При перемещении из очагов формирования в другие районы ВМ постепенно изменяют свои свойства. Такой процесс называется трансформацией ВМ. В каждый данный момент свойства ВМ определяются географическим положением очага ее формирования и теми изменениями, которые произошли в ней на пути перемещения.

Поэтому ВМ классифицируются по термодинамическому принципу и по географическому.

Термодинамическая классификация ВМ (степень нагретости и влагосодержание по сравнению с подстилающей поверхностью):

– теплая ВМ – если она перемещается на более холодную подстилающую поверхность;

– холодная ВМ – когда ее температура оказывается ниже температуры подстилающей поверхности, на которую она перемещается.

– нейтральная ВМ – которая в данном районе сохраняет свои основные свойства без существенных изменений;

– неустойчивая ВМ – которой наблюдаются благоприятные условия для развития конвективных движений, это холодная ВМ, вертикальные температурные градиенты в которой, как правило, более 0,7°С/100 м, над континентом наиболее благоприятное время года для ее образования – лето, время суток – день, полеты в ней могут осложняться из-за явлений, связанных с кучево-дождевыми и мощно-кучевыми облаками, входить в которые запрещается: усиление ветра, прохождение через район грозовых очагов с ливневыми осадками, ухудшение видимости в осадках до 1 км и менее, понижение облачности до 200—300 м и менее;

– устойчивая ВМ – в которой нет условий для развития конвективных движений, это теплая ВМ, вертикальный температурный градиент в которой обычно меньше или равен 0,5°С/100 м, над континентом наиболее благоприятное время года для ее образования – зима, время суток – ночь, условия погоды и полетов в ней зависят от степени влажности воздуха:

полет во влажной устойчивой воздушной массе затрудняется или исключается из-за низкой облачности, туманов, моросящих осадков и гололеда,