Демонстрационный пакет справочных аэроклиматических характеристик

Демонстрационный пакет справочных аэроклиматических характеристик

Козлова Л.Ф., Лавров А.С., Руденкова Т.В., Тимофеев А.А., Хохлова А.В.
ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД»
kozlovalida@meteo.ru, fliorcid@yandex.ru , lae@meteo.ru , arseni@developitbest.com , anna_x@meteo.ru

Введение

В состав аэроклиматических справочников входит достаточно большое количество различных характеристик. Последний полный аэроклиматический справочник по данным российских станций был создан почти 40 лет назад в 1979-1981 годах [8] на основе данных за период 1961-1970гг. За прошедшее с тех пор время регулярно возникает потребность в аэроклиматических данных по более современным наблюдениям. Потребителю нужны аэроклиматические характеристики за более длинные ряды наблюдений – 30-летний период, рекомендованный ВМО, или с учетом последних лет. В свободной атмосфере это статистические характеристики метеопараметров на стандартных изобарических поверхностях или на стандартных геометрических высотах, свойства тропопаузы, изотерм, сдвигов ветра, струйных течений. В пограничном слое атмосферы это приземные и приподнятые инверсии, скорость ветра в приземном слое, категории устойчивости атмосферы, высота слоя перемешивания и другие характеристики.
Поскольку работы по созданию аэроклиматического справочника в полном объеме в настоящее время не предполагаются, в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» разработан комплекс методик и программных средств, позволяющий получать прикладную аэроклиматическую продукцию, востребованную в различных отраслях, и определять основные аэроклиматические характеристики для отдельных станций. Расчет аэроклиматических характеристик производится на основе накопленных к настоящему времени архивов многолетних глобальных аэрологических наблюдений и может быть выполнен для любой станции, данные которой содержатся в архиве.
В настоящей работе рассмотрены примеры аэроклиматических характеристик, включенных в демонстрационный аэроклиматический пакет для нескольких российских аэрологических станций. Полный пакет аэроклиматических характеристик даже для одной станции имеет значительный объем, поэтому в статье представлены только отдельные примеры.

 

1. Базовые аэрологические массивы Госфонда (массивы АЭРОСТАВ и АЭРОСТАС).

Аэроклиматические характеристики определяются на основе создаваемых архивов радиозондовых данных. Создание российского архива аэрологических данных началось в 50-е годы прошлого столетия. Первоначально техническим носителем были перфокарты. Технология формирования развивалась вместе с развитием вычислительной техники и информационных технологий. Начиная с июня 1978 г. создание и пополнение глобального массива срочных радиозондовых наблюдений (массив “АЭРОСТАВ”) стало проводиться на основе телеграмм, поступающих по каналам связи в Среднеазиатском региональном вычислительном центре (САРВЦ, г. Ташкент).
В 1992 г. система сбора текущей аэрологической информации с каналов связи начала функционировать во ВНИИГМИ-МЦД на основе ЭВМ серии ЕС. Начиная с 1995 г. система сбора, обработки и архивации аэрологической информации, функционирующая во ВНИИГМИ-МЦД, была переведена на ПЭВМ. С 1993г. создание и пополнение глобального массива срочных радиозондовых наблюдений стало проводиться по разработанному во ВНИИГМИ-МЦД формату АЭРОСТАВ. До 2011г. массив имел бинарный формат. Массивы, полученные в САРВЦ с каналов связи за период 06.1978-02.1993гг. с данными текущих аэрологических наблюдений [4], были переведены в бинарный формат массива АЭРОСТАВ.
В 2010 г. в связи с переходом на новую технологию архивации данных, поступающих по каналам связи, был разработан новый формат массива [10]. Формат является символьным и включает в себя ряд новых элементов, отражающих метаданные станций. Символьный формат является более удобным для восприятия и обработки. Начиная с 2011 г. архивация аэрологических данных ведется в этом формате и массив называется “АЭРОСТАС”.
Параллельно с созданием массива развивались и усовершенствовались методы и технологии контроля качества аэрологической информации [1]. В процессе создания архивного файла аэрологические данные проходят процедуру комплексного контроля качества, включая гидростатический, горизонтальный и вертикальный контроль качества. После прохождения контроля качества каждому метеоэлементу массива присваивается признак качества.
К настоящему времени общий объем массива составляет около 30 Гб, ежемесячно поступают данные примерно с 900 аэрологических станций. Данные 12 российских станций, входящих в глобальную систему наблюдений за климатом (ГСНК) и аэроклиматические характеристики по этим станциям представлены в открытом доступе на сайте ФГБУ “ВНИИГМИ-МЦД” (http://new.meteo.ru/data/).
Массив сопровождается каталогом метаданных, в котором отражены индексы станций, географические координаты и высота над уровнем моря, а также количество зондирований на станциях за каждый месяц каждого года, имеющееся в базовом массиве. В каталоге имеются функции поиска по заданному индексу или названию станции и по географическим координатам.

 

2. Состав справочных аэроклиматических характеристик.

В состав аэроклиматических характеристик входит большое число различных параметров, характеризующих как свободную атмосферу, так и пограничный слой. Так, аэроклиматический справочник 1979-1981гг. состоит из 11 томов, в которых приведены сведения по 146 станциям бывшего СССР.
Демонстрационная версия аэроклиматического справочника, выставленная на сайте ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», включает данные по 3 российским станциям: Москва (Долгопрудный), Мурманск и Барнаул. Выбор станций обусловлен различным географическим положением станций и наличием качественных измерений. Расчеты проведены за десятилетний период с 2008 по 2017 г.
В состав представленной аэроклиматической продукции входят следующие величины:

• • статистические характеристики метеоэлементов (геопотенциальная высота, температура воздуха, влажность относительная и удельная, скорость ветра и компоненты скорости ветра, направление и скорость результирующего вектора ветра) на стандартных изобарических поверхностях;
  • статистические характеристики метеоэлементов (давление, температура воздуха, влажность относительная и удельная, скорость ветра и компоненты скорости ветра, направление и скорость результирующего вектора ветра, плотность воздуха) на стандартных геометрических высотах;
  • статистические характеристики метеоэлементов (давление, температура воздуха, влажность относительная и удельная, скорость ветра и компоненты скорости ветра, направление и скорость результирующего вектора ветра) на уровне земли;
  • характеристики тропопаузы и изотерм;
  • характеристики приземных и приподнятых инверсий;
  • характеристики скорости ветра в приземном слое;
  • характеристики устойчивости атмосферы и высота слоя перемешивания.

В число статистических характеристик метеоэлементов входят среднее значение, среднеквадратическое отклонение, 25% и 75% квартили, минимальное и максимальное значение, коэффициенты асимметрии и эксцесса.

 

3. Свободная атмосфера.

3.1 Статистические характеристики метеопараметров на стандартных изобарических поверхностях.

Статистические характеристики метеоэлементов рассчитываются на стандартных изобарических поверхностях: 1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10 гПа и на уровне земли. Расчеты производятся с применением статистического пакета SAS в несколько этапов:

• • ввод данных;
  • выборка достоверных результатов наблюдений на основе имеющихся флагов качества;
  • формирование расчетных характеристик (компоненты скорости ветра, относительная и удельная влажность, плотность воздуха);
  • расчет статистик;
  • вывод результатов в таблицы и графики.

На сайте ВНИИГМИ-МЦД статистические характеристики метеоэлементов представлены в виде таблиц и в виде графиков. Примеры графиков можно видеть на рис. 1 и 2, где даны вертикальные профили средних значений, медианных, минимальных и максимальных значений температуры и скорости ветра за 2 многолетних месяца (январь и июль) по станции Москва.

Рис. 1. Вертикальный профиль статистических характеристик температуры на стандартных изобарических поверхностях на станции Москва за январь и июль. Обозначения: границы прямоугольника – квартили 25 и 75%, границы «усов» – максимальное и минимальное значение, полоса, разделяющая прямоугольник, – медиана, ромб внутри прямоугольника – среднее значение.

Рис. 2. Вертикальный профиль статистических характеристик скорости ветра на стандартных изобарических поверхностях, станция Москва, январь и июль. Обозначения те же, что на рис. 1.

3.2 Статистические характеристики метеопараметров на стандартных геометрических высотах

Для расчета статистик метеорологических параметров на стандартных геометрических высотах из массива срочных аэрологических данных формируется массив срочных аэрологических данных на стандартных геометрических высотах. Геометрическая высота Hg определяется по формуле [2]

где Rz = 6356787 м, радиус Земли, H – геопотенциальная высота.

В массив включены также расчетные характеристики: относительная и удельная влажность воздуха, компоненты скорости ветра, плотность воздуха. Расчет метеорологических элементов на стандартных геометрических высотах выполняется путем линейной интерполяции между двумя близлежащими уровнями. Статистические характеристики рассчитываются аналогично расчетам на стандартных изобарических поверхностях.

Ниже приведены примеры вертикальных профилей статистик метеоэлементов на станции Мурманск за 2 месяца (январь и июль).

 

Рис. 3. Вертикальный профиль статистических характеристик температуры на стандартных геометрических высотах, станция Мурманск, январь и июль. Обозначения те же, что на рис. 1.

Рис. 4. Вертикальный профиль статистических характеристик скорости ветра на стандартных геометрических высотах, станция Мурманск, январь и июль. Обозначения те же, что на рис. 1.

3.3 Характеристики тропопаузы.

Тропопауза отвечает за процессы обмена между стратосферой и тропосферой по вертикали и многие другие процессы в атмосфере. Точная информация о характеристиках тропопаузы и ее многолетних изменениях требуется для решения различных научных и прикладных проблем. Прогноз высоты тропопаузы и температуры на этом уровне является составной частью краткосрочного прогноза, необходимого для метеорологического обеспечения авиации. Кроме того, по изменению характеристик тропопаузы можно судить о глобальных климатических изменениях.

На настоящий момент в связи с улучшением качества радиозондовых данных и увеличением длительности временных рядов появилась возможность более детального изучения характеристик тропопаузы. Для оценки характеристик тропопаузы был разработан специальный комплекс программ и методик, позволяющий оценить структуру климатических полей характеристик тропопаузы, а также отслеживать тенденции изменения ее характеристик [6].

По запросам пользователей в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» могут быть выполнены расчеты традиционных, порядковых статистик метеовеличин на уровне тропопаузы, расчеты характеристик годового хода, трендов, исследование феномена множественности тропопаузы и прочих аэроклиматических характеристик по данным отдельных станций.

В демонстрационный пакет включены среднегодовые и среднемесячные значения высоты и температуры нижней границы тропопаузы. На рис. 5 показан временной ход многолетних средних значений температуры (слева) и высоты (справа) на уровне нижней границы тропопаузы для станции Барнаул. На рисунках видна тенденция понижения температуры и увеличения высоты нижней границы тропопаузы в период 2008-2017 гг., хотя десятилетний период, безусловно, является недостаточным для оценки многолетних тенденций изменчивости.

Рис. 5. Временной ход среднегодовых значений температуры (слева) и высоты (справа) на уровне нижней границы тропопаузы для станции Барнаул за 2008-2017 гг.

3.4 Высота изотермических поверхностей.

Изотермы представляют собой поверхности одинаковых температур, с помощью которых удобно оценивать и сравнивать климатические особенности тех или иных регионов планеты. Сведения о высоте нулевой изотермы, т.е. о высоте изотермической поверхности с температурой 0 °C, весьма существенны для авиационного обслуживания. Высота нулевой изотермы в переходный сезон года используется для прогноза фазового состояния осадков.

Демонстрационный пакет включает данные о среднемесячных значениях геопотенциальной высоты, давления и дефицита точки росы для изотермических поверхностей с температурой 0°C и -10°C.

Пример характеристик изотермической поверхности с температурой 0°C представлен на рис. 6, где показан годовой ход многолетних средних значений высоты (слева) и давления (справа) изотермической поверхности с температурой 0°C для станции Москва.

Рис. 6. Годовой ход многолетних средних значений высоты (слева) и давления (справа) изотермической поверхности с температурой 0°C для станции Москва за 2008-2017 гг.

 

4 Пограничный слой атмосферы.

4.1 Температурные инверсии.

Характеристики инверсий являются одним из метеорологических факторов, определяющих перенос и рассеяние примеси в атмосфере и формирование следа выпадений на земле. Проектные расчеты для объектов, потенциально загрязняющих окружающую среду, всегда выполняются с учетом климатических характеристик стратификации атмосферы, в том числе температурных инверсий.

Основными характеристиками инверсий температуры являются их повторяемость, мощность и интенсивность.

Специальные программные средства, разработанные в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», позволяют для заданной станции и заданного периода времени анализировать температурные профили, выявлять наличие или отсутствие температурных инверсий в профиле, получать для каждого профиля характеристики приземных и приподнятых инверсий и определять их статистические характеристики.

Инверсия температуры определяется по характеру вертикального температурного градиента, отрицательного в случае наличия инверсии [7].

В пакете аэроклиматических характеристик представлены следующие сведения об инверсиях: повторяемость, мощность и интенсивность приземных инверсий, высота нижней границы, повторяемость, мощность и интенсивность для приподнятых инверсий. Расчеты выполнены отдельно для сроков 00 и 12 часов.

Пример статистических характеристик приподнятых инверсий приведен на рис. 7. Здесь даны особенности годовых изменений повторяемости приподнятых инверсий с нижней границей в слое 0,01-2 км за срок 00 час и 12 час для станции Мурманск.

Рис. 7. Годовой ход многолетних средних значений повторяемости приподнятых инверсий с нижней границей в слое 0,01-2 км для станции Мурманск.

4.2 Скорость ветра в приземном слое.

Скорость ветра в приземном слое атмосферы на высотах до 120-200 м от уровня земли как правило требуется для различных расчетных проектов, а также для определения категорий устойчивости атмосферы. Аэрологические наблюдения обычно не обеспечивают измерений на этих высотах, поэтому расчет скорости ветра в нижнем приземном слое выполняется с использованием известных эмпирических зависимостей скорости ветра от высоты [3,12].

Здесь V – скорость ветра на высоте Z, Vf – скорость ветра на высоте флюгера Zf, a – показатель степени, k0 – параметр шероховатости.

Описание алгоритма определения скорости и направления ветра в нижнем слое приведено в [11]. Скорость ветра на заданной высоте определяется для каждого зондирования в два этапа. Сначала по двум нижним измерениям производится оценка показателя степени или параметра шероховатости, затем путем интерполяции/экстраполяции рассчитывается скорость ветра на заданной высоте.

Направление рассчитывается с помощью линейной интерполяции или с применением закона Экмана. При этом могут быть получены также средние оценки величин, входящих в эмпирические формулы.

Знание характеристик ветра на заданной высоте позволяет получать средние значения и повторяемость по направлениям и градациям (розы ветров). В демонстрационном пакете приведены распределения скорости ветра по направлениям и значениям для 4 центральных месяцев сезонов на высотах 25, 50 и 100 м, а также средние значения параметра шероховатости и показателя степени.

Распределения даны как в табличном, так и в графическом виде.

Примеры показаны на рис. 8, где даны розы ветров для станции Москва на высотах 25 и 100 м за 00 час и 12 час за январь и за июль. Повторяемость штилей приведена в верхней части рисунков.

Рис.8. Распределения скорости ветра по данным станции Москва по направлениям и значениям (розы ветров) на высоте 25 м и 100 м за сроки 00 и 12 часов в январе и в июле.

В таблице 1 приведены полученные средние по всему периоду значения параметров шероховатости и показателей степени в формулах зависимости скорости ветра от высоты для трех станций.

Таблица 1. Показатель степени а и параметр шероховатости k0 в формулах степенной и логарифмической зависимости скорости ветра от высоты.

Станция	А	k0
Москва	0.20	1.30
Мурманск	0.12	0.39
Барнаул	0.19	1.06

4.3 Повторяемость классов (категорий) устойчивости и слой перемешивания.

Знание климатических характеристик устойчивости атмосферы в нижнем слое атмосферы требуется при проектировании различного рода объектов. В пограничном слое атмосферы происходит наиболее полное перемешивание примесей, поступающих от источников загрязнения. Основными характеристиками устойчивости атмосферы являются класс устойчивости и максимальная высота слоя перемешивания. Класс А характеризует наиболее неустойчивое состояние атмосферы, при котором наиболее развита турбулентность, класс F – наиболее устойчивое, когда в условиях слабого ветра или штиля и наличия температурной инверсии турбулентного перемешивания практически не происходит.

В настоящее время существуют два способа определения класса устойчивости (степени турбулентности) атмосферы: с использованием синоптической информации и с использованием информации о высотном изменении метеорологических параметров [9].

В демонстрационный аэроклиматический пакет входят следующие характеристики: повторяемость классов устойчивости по месяцам и за весь период, средняя высота слоя перемешивания по месяцам и за весь период. Класс устойчивости определяется по радиозондовым данным по комплексу параметров, в который входит значение скорости ветра на уровне земли и вертикальный градиент температуры воздуха в нижнем слое до 300 м [9]..

Для характеристики устойчивости атмосферы в метеорологической практике используется также максимальная высота слоя перемешивания (ВСП), в котором градиент температуры воздуха приближается к сухо-адиабатическому или даже превышает его. Непосредственно над этим слоем наблюдается резкое уменьшение градиента или инверсионное распре-деление температуры [5]. В соответствии с этим высота слоя перемешивания определяется как высота пересечения профиля температуры с сухой адиабатой, а при влажности более 92 % – с влажной адиабатой. При наличии приземной инверсии слой перемешивания отсутствует.

Повторяемость классов устойчивости и средняя высота слоя перемешивания за весь период без разбивки по месяцам даны в таблице 2. В последнем столбце таблицы в скобках приведена также высота слоя перемешивания по данным справочника [5]. Аналогичные расчеты могут быть выполнены для отдельных сезонов и месяцев года.

Таблица 2. Повторяемость классов устойчивости в % и высота слоя перемешивания H.

Станция	Класс устойчивости						H, км
	A	B	C	D	E	F
Москва	7.7	15.5	15.9	35.2	3.8	19.8	1.03(1.33)
Мурманск	1.8	7.1	10.7	61.8	6.2	9.9	0.77(0.80*)
Барнаул	1.6	8.5	12.1	30.1	9.6	28.6	1.10(1.17)

* – ВСП для Архангельска, т.к. для Мурманска данных в [5] не приведено.

 

Заключение.

Разнообразная аэроклиматическая продукция по длинным рядам наблюдений, с учетом современных данных, по отдельным регионам и станциям пользуется постоянным спросом. Глобальные радиозондовые данные, собираемые и хранящиеся в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» дают широкие возможности для различных направлений в области исследования свободной атмосферы и пограничного слоя, в том числе, для определения аэроклиматических справочных величин. В связи с тем, что издание аэроклиматического справочника, аналогичного изданному ранее, в 80-годах прошлого века, в настоящее время не предусмотрено, а аэроклиматическая продукция необходима потребителю, в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» проведены специальные разработки и создан комплекс программных средств, позволяющих вычислить требуемые характеристики.

Приведенные в статье и на сайте ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» результаты расчетов для 3 аэрологических станций являются демонстрацией возможности определения справочных аэроклиматических характеристик по накопленным к настоящему времени радиозондовым данным. Аналогичные расчеты могут быть выполнены за необходимый период для любой станции, имеющейся в архивах, при этом перечень аэроклиматических характеристик может быть расширен.

 

Список литературы

1. Алдухов О.А.,Черных И.В. Методы анализа и интерпретации данных радиозондирования атмосферы. Том.1. Контроль качества и обработка данных. ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД». Обнинск. 2013. 306 с.
2. Атмосфера стандартная. Параметры. ГОСТ 4401-81 / М. Изд.стандартов. 2004. 182 с.
3. Гладкий В.Ф. Динамика конструкции летательного аппарата / М.: Наука, 1969. 496 с.
4. Казначеева В.Д., Руденкова Т.В. Организация текущих аэрологиче-ских данных на магнитных лентах ЕС // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Об-нинск. 1985. Вып. 115. С. 91-108.
5. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере / Под ред. Э.Ю. Безуглой, М.Е. Берлянда / Л.: Гидрометиз-дат, 1983. 327 с.
6. Козлова Л.Ф., Стерин А.М. Исследование многолетней изменчивости параметров тропопаузы над территорией РФ по радиозондовым дан-ным // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Обнинск. 2014. Вып. 178. С. 47-60.
7. Козлова Л.Ф., Хохлова А.В. Климатические характеристики призем-ных температурных инверсий по данным аэрологических измерений на станциях Мурманск и Смоленск // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Об-нинск. 2018. Вып. 181. С.120-125.
8. Новый аэроклиматический справочник свободной атмосферы над СССР. Пояснительный текст. / Под ред. И.Г. Гутермана. М.:Гидрометиздат, 1979. 28с.
9. Романов В.И. Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие / М.: Физматкнига, 2006.
10. Руденкова Т.В. Формат архивации текущих аэрологических данных, поступающих по каналам связи для ПЭВМ // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Обнинск. 2010. Вып. 174. С. 41-63.
11. Хохлова А.В. Оценка климатических характеристик скорости ветра в приземном слое атмосферы по радиозондовым измерениям // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Обнинск. 2018. Вып. 182. С.
12. Хргиан А.Х. Физика атмосферы / М.:Изд. Московского университета, 1986. 328 с.