Определение параметров облачного покрова, осадков и опасных явлений погоды по данным радиометра SEVIRI с геостационарного метеоспутника Meteosat-10 для Европы и Европейской территории России (Методические рекомендации по использованию спутниковых данных) (стр. 9 )

Обычно чем больше концентрация облачных частиц в единице объёма, тем Reff меньше (Мазин, Хргиан, 1989; Liu et al., 2003; Kobayashi, 2007; Lindsey, 2008). Значения Reff напрямую связаны с общим влагосодержанием воздушной массы, которое прямо пропорционально температуре воздуха (Lindsey, 2008). При очень низких температурах (ниже -40°С) облачные частицы вырастают меньше, чем в смешанных условиях (присутствуют и кристаллы и капли) (Lindsey, 2008). В «чистых» условиях (с малым количеством ядер конденсации) облачные частицы крупнее, чем в запылённой и задымлённой атмосфере (Lindsey, 2008; Liu et al., 2003; Reid et al., 1999). Прямая зависимость значений Reff от COD существует только для небольших значений COD (Szczodrak et al.). При достаточно больших значениях COD они либо не зависят друг от друга (Karlgard, 2008), либо значения Reff уменьшаются с ростом значений COD (Szczodrak et al.).

Распределение облачных частиц по размерам в облаке обычно близко к гамма-распределению, но может описываться и другими функциями (например, логарифмическим или бета-распределением). Значения Reff обычно растут в облаке с высотой (особенно для недождящих облаков) и достигают максимального значения вблизи ВГО независимо от того, кристаллическая она, жидко-капельная или смешанная (Chiu et al., 2012; Chen et al., 2008). В облаках с началом выпадения мороси или дождя значения Reff начинают быстро расти в нижней части облака и убывают с высотой (Chen et al., 2008; Martins et al., 2011). В целом, значения Reff на НГО и ВГО больше у дождящих, чем у недождящих облаков, и значения Reff на НГО лучше коррелирует с интенсивностью осадков, чем Reff на ВГО (Chen et al., 2008). Однако у очень мощных кучево-дождевых облаков максимум Reff находится примерно в верхней трети облака и выше его значения Reff заметно падают (Martins et al., 2011). У жидко-капельных облаков значения Reff обычно меньше у недождящих и слоистообразных облаков, чем у облаков с осадками и конвективных (Kobayashi, 2007; Chen et al., 2008). У кристаллических облаков величина Reff очень сильно зависит от типа и формы кристаллов (Мазин, Хргиан, 1989).

КПМ выделяет 8 градаций Reff: <5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 25-30, 30-35 и >35 мкм.

Исследования автора показывают, что практически у всех классов мощной кучево-дождевой облачности среднее значение Reff выше в тёплый период года, чем в холодный, т. к. в тёплое время года увеличивается средний размер капель при практически неизменном размере кристаллов на ВГО. У остальных облачных классов (преимущественно слоистообразных) среднее значение Reff либо практически не меняется в течение года, либо увеличивается в холодный период года за счёт увеличения в облаке доли облачных частиц в кристаллической фазе, в тёплый период года облачные частицы, имеющие воду в жидкой фазе, имеют маленький размер. Всё это находится в хорошем согласии с климатическими оценками.

Над водоёмами значения Reff днём и летом могут несколько уменьшаться, а зимой и ночью – ложно увеличиваются: в среднем, ошибки обычно не превышают 1-3 мкм.

Визуальный анализ больших фрагментов классифицированных спутниковых изображений облачности показывает удовлетворительное согласование результатов оценок Reff как с синоптической ситуацией, так и с климатологией. В тёплый период года наибольшие значения Reff связаны с фронтальной облачностью. В холодный период года – с однослойной перистообразной и высоко-слоистой облачностью и, в меньшей степени, с фронтальной облачностью.

Исследования показывают, что ошибки встречаются над небольшими водоёмами с большой амплитудой температур относительно окрестностей для относительно тонкой облачности: водоёмы могут «просвечивать», т. е. контуры зоны Reff соответствующей градации повторяют контуры водоёма, при этом значения Reff на 1 градацию увеличиваются или уменьшаются. Грубых ошибок, т. е. ошибок в 3 градации и более, выявлено не было.

Оценки Reff получаются средними для пиксела, поэтому в его пределах возможны как более высокие, так и низкие значения Reff.

Обледенение

Обледенение – это процесс намерзания слоя льда на поверхность предметов. Проблема обледенения очень важна для авиационной метеорологии. Намерзая на корпусе летательного аппарата, лёд может препятствовать нормальному функционированию как его отдельных элементов (препятствует правильной работе подвижных частей), так и всего в целом (ухудшает лётные качества). Намерзание льда на взлётно-посадочной полосе может создавать аварийные ситуации при взлёте-посадке летательного аппарата.

В зависимости от условий образования (водность облака, температура воздуха, размер облачных частиц и др.) намерзающий на самолёт лёд может быть нескольких видов: 1) прозрачный лёд образуется в облаках, состоящих из крупных переохлажденных капель, при Та=0- -10°С; 2) матовый лёд (наиболее опасный) образуется в смешанных облаках, состоящих из крупных и мелких капель и кристаллов, при Та=-6- -10°С; 3) белый (крупообразный) лёд образуется в облаках, состоящих из мелких капель, при Та<-10°С; 4) изморозь образуется в смешанных облаках, состоящих из мелких капель и кристаллов, при Та<<-10°С. Обледенение обычно происходит в слоях облачности (или внутри зон выпадающих осадков) при Та=0- -24°С. Наибольшая вероятность обледенения отмечается при Та=-3- -12°С. Таким образом, для запуска процесса обледенения в облаке, необходимо обязательное наличие воды в нём в жидкой фазе в переохлаждённом виде.

По интенсивности (толщине слоя льда, отлагающегося на обледеневшей поверхности воздушного судна в единицу времени) обледенение делится на слабое, умеренное и сильное. Слабое и умеренное обледенение обычно характерно для слоисто-дождевой и высокослоистой облачности, а умеренное и сильное – для слоистой, слоисто-кучевой и кучевообразной облачности. Максимальная повторяемость умеренного и сильного обледенения приходится на слои в атмосфере с Та=0- -12°С. С увеличением водности (w) облаков интенсивность обледенения возрастает. Наиболее сильное обледенение отмечается при w>1 г/м3 (Баранов, 1992). Кроме того, интенсивность обледенения зависит от скорости и продолжительности полёта в облаке, размера капель и коэффициента оседания.

Слабое и умеренное обледенение практически безопасно для крупной и, особенно скоростной, авиации, но может представлять большую угрозу для небольших летательных аппаратов, вертолётов и безмоторных летательных средств (воздушных шаров, дельтапланов и др.) с маленькими скоростями. Сильное обледенение опасно практически для всех летательных средств. Поэтому сведения о наличии зон обледенения в пределах облачного массива, его интенсивности и о высотах верхней и нижней границы представляют большой интерес для авиационной метеорологии.

Отложение льда на поверхности земли, называемое гололёдом, независимо от его интенсивности опасно не только при взлёте-посадке летательных средств, но и для автотранспорта (уменьшает сцепление колёс с автотрассой, увеличивает тормозной путь и увеличивает аварийность ситуации). Причиной гололёда может стать, например, выпадение переохлажденного (ледяного) дождя или мороси при температуре воздуха у поверхности земли ниже 0°С. Чаще всего гололёд образуется при Тапризем=0 - -6°С. Характерным условием образования гололёда являются температурные инверсии – тёплые капельные облака и отрицательные температуры воздуха в приземном слое (Воробьёв, 1983).

КПМ позволяет детектировать зоны обледенения, определять его интенсивность и вероятность, а также рассчитывать высоты верхней и нижней границ для каждой из трёх градаций интенсивности обледенения (под интенсивностью обледенения в КПМ подразумевается комплексный параметр, состоящий из скорости нарастания и толщины льда за время пролёта летательного аппарата сквозь облако). В КПМ выделяются 3 класса: «слабое обледенение» – существует вероятность незначительного обледенения летательного средства, движущегося на небольшой скорости внутри слоя облака выше нижней границы (НГ), но ниже верхней границы (ВГ) зоны слабого обледенения (умеренное и сильное обледенение внутри этой зоны может наблюдаться только на практически неподвижных объектах при очень длительном нахождении внутри этой зоны обледенения); «умеренное обледенение» – вероятность образования ледяной корки составляет более 70 % на поверхности летательных аппаратов, движущихся с небольшими скоростями внутри слоя облака выше нижней границы, но ниже верхней границы зоны умеренного обледенения (сильное обледенение внутри этой зоны может наблюдаться только на малоподвижных объектах при очень длительном нахождении внутри этой зоны обледенения); «сильное обледенение» – 100% образование ледяной корки на летательных аппаратах, движущихся с небольшими скоростями и отложение льда на отдельных частях скоростных самолётов внутри слоя облака выше нижней границы, но ниже верхней границы зоны сильного обледенения. Толщина слоя обледенения при этом зависит от времени пребывания летательного средства внутри облачного слоя (КПМ её не оценивает). Спутниковые оценки вероятности и интенсивности обледенения носят при этом исключительно рекомендательный характер, т. е. характеризуют степень опасности облака на предмет обледенения внутри него. Высоты верхней и нижней границ для каждой интенсивности обледенения в облаке рассчитывается по 10ти градациям высоты (в км) над уровнем моря: <1, 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-7, 7-8, 8-9 и >9 км.

Чем выше водность облака при отрицательных температурах внутри него, тем выше вероятность и интенсивность обледенения, однако до определённого предела, т. к. при очень низких температурах внутри облака независимо от его водности резко уменьшается доля облачных частиц с водой в жидкой фазе (в кристаллическом облаке обледенение отсутствует). Так, для слабого обледенения внутри облака с Wmax>0,15 г/м3 необходимо наличие слоя с температурой ниже 273 К, но выше 250 К; умеренное обледенение следует ожидать при Wmax>0,5 г/м3 в слое 260-170 К, а сильное – при Wmax>1 г/м3 в слое 263-268 К. Для приземного обледенения необходимо наличие ледяного дождя или мокрого снега (соответственно слабой, умеренной или высокой интенсивности) и отрицательных Тапризем.. Высота ВГ и НГ в КПМ рассчитывается относительно уровня моря по барометрической формуле для политропной атмосферы.