5 Прогноз турбулентності

Мета роботи: ознайомитися з методами діагнозу та прогнозу зон турбулентності, які викликають бовтанку літаків; набути практичних навиків розпізнавання зон бовтанки за синоптичними умовами по даним температурно-вітрового зондування.

5.1 Основні споживачі прогнозу турбулентності

Серед метеорологічних явищ, які впливають на польоти повітряних суден (ПС) одним із найбільш небезпечних можна назвати атмосферну турбулентність, яка викликає інтенсивну бовтанку літаків, що, в свою чергу, може обумовити серйозну льотну подію. Відомі випадки льотних катастроф, причиною яких була сильна турбулентність.

Абсолютно очевидно, що основним, і, мабуть, єдиним споживачем прогнозів атмосферної турбулентності є повітряний транспорт.

Тому в даному розділі, відступаючи від загальної схеми складення практикуму, коротко зупинимось на основних причинах і видах турбулентності.

Основною причиною турбулізації повітряних течій є контрасти в полі вітру і температури, які породжують наступні процеси: тертя повітряного потоку об поверхню землі; деформацію повітряних потоків орографічними перешкодами; процеси хмароутворення, при яких виділяється тепло конденсації і змінюється характер полів температури і вітру; нерівномірне нагрівання різних ділянок підстильної поверхні; взаємодію різних за властивостями повітряних мас, на межі яких чітко виражені горизонтальні градієнти вітру і температури; наявність інверсійних шарів, в яких виникають гравітаційні хвилі, що втрачають за певних умов стійкість.

В атмосфері виникають вихори різних розмірів і орієнтації, що викликано одночасною дією вище перерахованих процесів; причому, одні вихори мають горизонтальну вісь обертання, другі – вертикальну, а треті – похилу.

При класифікації турбулентності, як правило, до уваги беруться не причини її виникнення, а особливості розвитку. Тому, чисто умовно, турбулентність ділять на механічну (орографічну), термічну (конвективну) і динамічну.

Механічна турбулентність є функцією швидкості вітру біля поверхні землі, шорсткості земної поверхні, а також напрямку вітру і гірського хребта.

Термічна турбулентність виникає в атмосфері за рахунок нерівномірного нагрівання земної поверхні або при адвекції холодного повітря на теплу підстильну поверхню.

Динамічна турбулентність утворюється в тих шарах атмосфери, де спостерігаються великі вертикальні і горизонтальні зсуви вітру і температури.

Найбільш небезпечним видом турбулентності, практично завжди несподіваним для екіпажу, є турбулентність ясного неба (ТЯН).

5.2 Синоптичний метод прогнозу атмосферної турбулентності

Суть синоптичних методів прогнозу атмосферної турбулентності, яка викликає бовтанку літаків, полягає в комплексному аналізі приземних карт погоди та карт баричної топографії різних рівнів. Такий аналіз дозволяє визначити характер хмарності, наявність фронтів та їх активність. За допомогою висотних карт визначаються форма та особливості баричного поля, напрям і швидкість вітру на висоті польоту, знак адвекції і вергенції течії.

Не дивлячись на те, що однозначної залежності бовтанки від синоптичного положення не існує, І.Г.Пчелко виявив типічні зони баричного поля, в яких інтенсивна турбулентність зустрічається найбільш часто. Прийнявши за основу баричне поле на висоті 300…200 гПа виділено п’ять типів характерних баричних полів з найбільшою повторюваністю інтенсивної турбулентності (рис. 5.1).

Рис. 5.1 – Розподіл і положення зон бовтанки при різних синоптичних умовах:

а – баричне поле, виражене глибокою улоговиною; б – висотний циклон; в – передня частина улоговини; г – тилова частина улоговини; д – область висотного гребеня.

Перший тип баричного поля (рис. 5.1а) характеризується наявністю глибокої висотної улоговини, в якій виділяється окремий локальний циклон. При цьому типі баричного поля зони найбільш інтенсивної бовтанки літаків, як правило, розміщуються в зоні сильної розбіжності і збіжності ізогіпс. Швидкість вітру в зонах інтенсивної турбулентності складає 100…150 км·год^-1, а середнє значення бокових (горизонтальних) зсувів вітру, як правило, перевищує 15…20 км·год^-1 на 100 км. В зоні збіжності ізогіпс межа зони з найбільшою імовірністю бовтанки розміщена безпосередньо від приземної лінії холодного фронту до осі улоговини. При чітко вираженій розбіжності потоку, сильному вітрі та значному зсуві вітру імовірність зустрічі з інтенсивною бовтанкою підвищується.

Другий тип баричного поля, який характеризується висотним циклоном (рис. 5.1б), має дві зони, в яких бовтанка зустрічається найбільш часто. В першій зоні (в тиловій частині циклону) бовтанка, як правило, помірна; швидкість вітру – біля 100…120 км·год^-1, спостерігається значна збіжність ізогіпс. Друга зона бовтанки (інтенсивність може перевищувати помірну) розміщується в передній частині циклону в зоні сильної розбіжності ізогіпс, великих горизонтальних зсувів вітру (можуть перевищувати 50 км·год^-1 на 100 км) і значних швидкостей вітру (100…150 км·год^-1). На приземній синоптичній карті цій зоні відповідає теплий сектор і прилеглі до нього ділянки шириною 100…200 км за холодним і попереду теплого фронтів.

Третій тип баричного поля характеризується тим, що бовтанка (помірної інтенсивності) спостерігається в передній частині улоговини, дещо правіше її осі в зоні ізогіпс, що розходяться (рис. 5.1в). Особливо велика імовірність бовтанки тоді, коли поглиблюється улоговина і їй на висотних картах передує гребінь. Швидкість вітру при цьому не перевищує 80…100 км·год^-1, а бокові зсуви вітру незначні.

При четвертому типі баричного поля зона підвищеної турбулентності розміщується в тиловій частині улоговини в області збіжності ізогіпс (рис. 5.1г). Швидкість і бокові зсуви вітру складають, відповідно, 80…100 км·год^-1 і 5…10 км·год^-1 на 100 км.

П’ятий тип баричного поля, що характеризується підвищеною інтенсивністю бовтанки літаків, визначається висотним гребенем (рис. 5.1д). Імовірність зустрічі з бовтанкою (помірною чи слабкою) в тиловій частині гребеня вища, ніж в передній. Швидкість вітру незначна і рідко перевищує 40…60 км·год^-1. Бокові зсуви вітру в області гребеня, як правило, складають 10…15 км·год^-1 на 100 км.

Оскільки однозначного зв’язку між бовтанкою літаків і характером синоптичного положення на висоті польоту немає, то слід залучати додаткові прогностичні ознаки, до яких слід віднести наступні умови:

1. Холодні фронти І та ІІ роду на приземній карті. Повторюваність бовтанки на холодних фронтах найбільша в порівнянні з іншими атмосферними фронтами. Бовтанка на холодних фронтах не спостерігається, якщо вони слабо виражені або горизонтальні градієнти швидкості вітру менші 20 км·год^-1 на 100 км і градієнт температури повітря в області фронтальної зони складає менше 2 °С на 100 км, відповідно.

2. Теплий фронт або фронт оклюзії, які пов’язані з чітко вираженими високотропосферними СТ і які мають горизонтальні градієнти температури більше 2 °С на 100 км і швидкість вітру більше 20 км·год^-1 на 100 км.

3. Високотропосферні або стратосферні СТ, покажчиками бовтанки в яких є: швидкість вітру більше 25 м·с^-1, вертикальний градієнт швидкості вітру більше 10 м·с^-1 на 1 км висоти, зміна напрямку вітру більше 15° на 1 км висоти.

4. Периферії циклону, улоговини, гребеня обумовлюють найбільшу повторюваність бовтанки літаків на висоті польоту. Особливо сприятливі умови для розвитку турбулентності в улоговині, що поглиблюється. На периферії баричних утворень повторюваність бовтанки літаків значно вища, особливо вона висока на західній і південно-західній частинах циклонів, що поглиблюються, при адвекції холоду і збіжності ізогіпс. При пересіченні висотних циклонів і антициклонів в центральній частині бовтанка спостерігається рідко.

5. Наявність хмарності на ешелоні польоту свідчить про більшу імовірність бовтанки літаків, ніж при ясному небі. Так, при наявності хмар вертикального розвитку на ешелоні польоту повторюваність бовтанки становить 90…95%, St, Sc - 34%, Ns – As – 30%, Ac – 29%, Cs, Cc – 34%.

6. Адвекція холоду найбільш часто відмічається при бовтанці.

7. Значне посилення вітру на ешелоні польоту. Якщо в якості критерію посилення вітру використовувати зміну швидкості вітру на 10 м·с^-1 і більше за 6 год, то бовтанка спостерігається в 68% випадків на висотах різкої зміни швидкості вітру; якщо швидкість вітру збільшується на 20 м·с^-1 і більше за 6 год, то повторюваність бовтанки складає близько 75%. При слабкому вітрі (до 15 м·с^-1) на висоті польоту бовтанка може спостерігатися в зонах великих зсувів вітру на циклонічній стороні СТ.

Викладений вище синоптичний метод прогнозу бовтанки літаків є якісним, тому практичний інтерес представляє діагноз і прогноз бовтанки шляхом використання кількісних критеріїв. Найбільшого застосування в авіаційній практиці забезпечення польотів знайшли графічний метод і метод комплексу критеріїв, які детально викладені в «Практикумі з авіаційної метеорології», 2006 р.