1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ПАКЕТ СПРАВОЧНЫХ АЭРОКЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА САЙТЕ ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД»

Козлова Л.Ф., Лавров А.С., Руденкова Т.В., Тимофеев А.А., Хохлова А.В.
ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД»

Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. , Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. , Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. , Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. , Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.  

Введение

В состав аэроклиматических справочников входит достаточно боль-шое количество различных характеристик. Последний полный аэроклима-тический 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 аэро-климатических данных по более современным наблюдениям. Потребителю нужны аэроклиматические характеристики за более длинные ряды наблю-дений - 30-летний период, рекомендованный ВМО, или с учетом по-следних 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 при-земные и приподнятые инверсии, скорость ветра в приземном слое, кате-гории устойчивости атмосферы, высота слоя перемешивания и другие ха-рактеристики.
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, вос-требованную в различных отраслях, и определять основные аэроклимати-ческие характеристики для отдельных станций. Расчет аэроклиматических характеристик производится на основе накопленных к настоящему време-ни архивов многолетних глобальных аэрологических наблюдений и может быть выполнен для любой станции, данные которой содержатся в архиве.
В настоящей работе рассмотрены примеры аэроклиматических ха-рактеристик, включенных в демонстрационный аэроклиматический пакет для нескольких российских аэрологических станций. Полный пакет аэро-климатических характеристик даже для одной станции имеет значитель-ный объем, поэтому в статье представлены только отдельные примеры.

1 Базовые аэрологические массивы Госфонда (массивы АЭРОСТАВ и АЭРОСТАС)

Аэроклиматические характеристики определяются на основе созда-ваемых архивов радиозондовых данных. Создание российского архива аэ-рологических данных началось в 50-е годы прошлого столетия. Первона-чально техническим носителем были перфокарты. Технология формирова-ния развивалась вместе с развитием вычислительной техники и информа-ционных технологий. Начиная с июня 1978 г. создание и пополнение гло-бального 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 ка-налов связи начала функционировать во ВНИИГМИ-МЦД на основе ЭВМ серии ЕС. Начиная с 1995 г. система сбора, обработки и архивации аэроло-гической информации, функционирующая во ВНИИГМИ-МЦД, была пе-реведена на ПЭВМ. С 1993г. создание и пополнение глобального массива срочных радиозондовых наблюдений стало проводиться по разработанно-му во ВНИИГМИ-МЦД формату АЭРОСТАВ. До 2011г. массив имел бинарный формат. Массивы, полученные в САРВЦ с каналов связи за пе-риод 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 дан-ных, поступающих по каналам связи, был разработан новый формат мас-сива [10]. Формат является символьным и включает в себя ряд новых эле-ментов, 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 усовершенствова-лись методы и технологии контроля качества аэрологической информации [1]. В процессе создания архивного файла аэрологические данные про-ходят процедуру комплексного контроля качества, включая гидростатиче-ский, горизонтальный и вертикальный контроль качества. После прохож-дения 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 стан-ций. Данные 12 российских станций, входящих в глобальную систему на-блюдений за климатом (ГСНК) и аэроклиматические характеристики по этим станциям представлены в открытом доступе на сайте ФГБУ "ВНИИГМИ-МЦД" (http://meteo.ru/data/167-radiosonde-observations ).
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 коор-динатам.

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.

Январь   Июль


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.

Январь Июль


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 стандарт-ных геометрических высотах из массива срочных аэрологических данных формируется массив срочных аэрологических данных на стандартных гео-метрических высотах. Геометрическая высота Hg определяется по форму-ле [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 воз-духа. Расчет метеорологических элементов на стандартных геометриче-ских высотах выполняется путем линейной интерполяции между двумя близлежащими уровнями. Статистические характеристики рассчитываются аналогично расчетам на стандартных изобарических поверхностях.
Ниже приведены примеры вертикальных профилей статистик метео-элементов на станции Мурманск за 2 месяца (январь и июль).

Январь Июль


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

Январь Июль


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. Про-гноз высоты тропопаузы и температуры на этом уровне является составной частью краткосрочного прогноза, необходимого для метеорологического обеспечения авиации. Кроме того, по изменению характеристик тропопау-зы можно судить о глобальных климатических изменениях.
На настоящий момент в связи с улучшением качества радиозондовых данных и увеличением длительности временных рядов появилась возмож-ность более детального изучения характеристик тропопаузы. Для оценки характеристик тропопаузы был разработан специальный комплекс про-грамм 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 опреде-лять их статистические характеристики. Инверсия температуры определя-ется по характеру вертикального температурного градиента, отрицатель-ного в случае наличия инверсии [7].
В пакете аэроклиматических характеристик представлены следую-щие 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 при-веден на рис. 7. Здесь даны особенности годовых изменений повторяемо-сти 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 при-поднятых 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 проек-тов, а также для определения категорий устойчивости атмосферы. Аэроло-гические 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 опреде-ляется для каждого зондирования в два этапа. Сначала по двум нижним измерениям производится оценка показателя степени или параметра ше-роховатости, затем путем интерполяции/экстраполяции рассчитывается скорость ветра на заданной высоте. Направление рассчитывается с помо-щью линейной интерполяции или с применением закона Экмана. При этом могут быть получены также средние оценки величин, входящих в эмпири-ческие 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 шероховато-сти и показателя степени. Распределения даны как в табличном, так и в графическом виде.
Примеры показаны на рис. 8, где даны розы ветров для станции Мо-сква на высотах 25 и 100 м за 00 час и 12 час за январь и за июль. Повто-ряемость штилей приведена в верхней части рисунков.


Рис.8. Распределения скорости ветра по данным станции Москва по на-правлениям 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 зна-чения параметров шероховатости и показателей степени в формулах зави-симости 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 переме-шивания
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. Ос-новными характеристиками устойчивости атмосферы являются класс ус-тойчивости и максимальная высота слоя перемешивания. Класс А характе-ризует наиболее неустойчивое состояние атмосферы, при котором наибо-лее развита турбулентность, класс F – наиболее устойчивое, когда в усло-виях слабого ветра или штиля и наличия температурной инверсии турбу-лентного перемешивания практически не происходит.
В настоящее время существуют два способа определения класса ус-тойчивости (степени турбулентности) атмосферы: с использованием си-ноптической 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 комплек-су 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 сло-ем наблюдается резкое уменьшение градиента или инверсионное распре-деление температуры [5]. В соответствии с этим высота слоя перемешива-ния определяется как высота пересечения профиля температуры с сухой адиабатой, а при влажности более 92 % - с влажной адиабатой. При нали-чии приземной инверсии слой перемешивания отсутствует.
Повторяемость классов устойчивости и средняя высота слоя пере-мешивания за весь период без разбивки по месяцам даны в таблице 2. В последнем столбце таблицы в скобках приведена также высота слоя пере-мешивания 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 на-блюдений, с учетом современных данных, по отдельным регионам и стан-циям пользуется постоянным спросом. Глобальные радиозондовые дан-ные, собираемые и хранящиеся в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» дают широкие возможности для различных направлений в области исследования свобод-ной атмосферы и пограничного слоя, в том числе, для определения аэро-климатических справочных величин. В связи с тем, что издание аэрокли-матического справочника, аналогичного изданному ранее, в 80-годах про-шлого века, в настоящее время не предусмотрено, а аэроклиматическая продукция необходима потребителю, в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» прове-дены специальные разработки и создан комплекс программных средств, позволяющих вычислить требуемые характеристики.
Приведенные в статье и на сайте ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» резуль-таты расчетов для 3 аэрологических станций являются демонстрацией возможности определения справочных аэроклиматических характеристик по накопленным к настоящему времени радиозондовым данным. Анало-гичные расчеты могут быть выполнены за необходимый период для любой станции, имеющейся в архивах, при этом перечень аэроклиматических ха-рактеристик 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.
http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=6980421
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.