Обработка данных шаропилотных наблюдений графическим методом

Цель работы: приобрести практические навыки в определении скорости и направления ветра в атмосфере по координатам шара-пилота с помощью планшета А-30.

Принадлежности: книжка КАЭ-1, планшет А-30.

 

Порядок выполнения и методические рекомендации

Метод однопунктных шаропилотных наблюдений предназначен для определения скорости (f) и направления (d) ветра в нижних слоях атмосферы, до высоты нижней границы облаков. При шаропилотных наблюдениях шаропилотную оболочку наполняют газом легче воздуха (водородом или гелием), определяют ее вертикальную скорость и выпускают в свободный полет. Шар-пилот под действием свободной подъемной силы поднимается вверх на высоту (Н), а под действием ветра смещается в горизонтальном направлении на расстояние L – горизонтальное удаление. За летящим шаром-пилотом наблюдают с помощью аэрологического теодолита и определяют его координаты в последовательные моменты времени. С помощью теодолита определяют две угловые координаты шара-пилота: вертикальный угол (δ) и горизонтальный угол - азимут (α).

Вертикальный угол δ – это угол между направлением на шар-пилот и направлением на его проекцию на поверхности земли. Вертикальный угол может изменяться в диапазоне 0÷90^о.

Горизонтальный угол (азимут) α – это угол между направлением на северный географический полюс Земли (СГП) и направлением на проекцию шара-пилота, отсчитывается по часовой стрелке от направления на СГП. Азимут может изменяться в диапазоне 0÷360^о.

Зная вертикальную скорость шара-пилота и его угловые координаты, определяют скорость и направление ветра. (Рисунок 1).

Точка О – место установки теодолита.

Точка А – местоположение шара-пилота в атмосфере в какой-то момент времени (τ).

Точка В – проекция шара-пилота на поверхность земли.

Отрезок АВ=Н – высота шара-пилота, на которую он поднимается под действием подъемной силы.

Отрезок ОВ=L – горизонтальное удаление шара-пилота, на которое он перемещается под действием ветра.

Вектор ЮГП – СГП - географический меридиан, соединяющий северный и южный географические полюсы Земли и проходящий через место установки теодолита.

Угол АОВ=δ – вертикальный угол.

Угол (СГП)ОВ=α – азимут.

Скорость и направление ветра определяют следующим образом:

· Т.к. шар-пилот под действием ветра смещается на горизонтальное удаление (L) за определенный промежуток времени (τ), то скорость ветра определяют по формуле:

  (м/с) (10)

· Горизонтальное удаление L определяют из прямоугольного треугольника АОВ, умножая высоту шара-пилота (Н) на котангенс вертикального угла (δ):

L = Н×ctg (δ) (11)

· Высоту шара-пилота (Н) определяют, умножая его вертикальную скорость (W), которую определяют перед его выпуском по формулам и таблицам и принимают ее постоянной, на время полета шара-пилота (τ)

Н = W*τ (12)

· Если шар-пилот под действием ветра перемещается строго на восток, то его азимут равен 90^о, а ветер дует с запада, т.е. направление ветра d = 270^о. Если шар-пилот под действием ветра перемещается строго на юг, то его азимут равен 180^о, а ветер дует с севера, т.е. направление ветра d = 0^о (360^о). Т.о., направление ветра (d) определяется по азимуту (α)

d = α ± 180°    (13)

Графический метод обработки

1.1. Записать в книжку КАЭ-1 координаты шара-пилота из таблицы 7 для своего варианта.

Таблица 7

Время, мин.	1 вариант		2 вариант		3 вариант		4 вариант
	Горизонт. угол	Вертик. угол	Горизон т. угол	Вертик. угол	Горизонт. угол	Вертик. угол	Горизонт. угол	Вертик. угол
0,5	107,7	20,4	124,8	23,1	342,1	33,5	341,3	40,7
1	108,1	20,7	123,0	22,2	349,4	31,8	342,7	38,9
1,5	108,5	22,1	123,6	21,3	350,6	32,5	343,7	37,2
2	109,7	22,2	123,7	21,4	351,7	32,1	346,0	35,9
2,5	110,5	22,6	123,4	21,0	353,2	31,6	347,8	33,9
3	111,0	23,0	123,0	20,6	353,3	31,1	349,0	32,1
4	109,0	24,2	124,0	21,3	355,0	29,3	349,9	31,4
5	107,5	25,5	122,3	21,5	356,5	28,8	350,7	30,8
6					358,5	28,5	352,0	30,1
τтум = 5 мин. 15 сек			τтум = 5мин.30сек.		τтум = 6 мин. 45 сек		τтум =6 мин. 20 сек

 

1.2. Определить высоту шара-пилота (12).

· Вертикальную скорость шара-пилота (W) умножить на время (t) и записать в книжку КАЭ-1 в графу «Высота шара-пилота над поверхностью земли». Например: Стандартная вертикальная скорость шара-пилота 200м/мин. Для времени 0,5 минуты Н=200*0,5=100 метров. Для времени 1 минута Н=200*1=200 метров. И т.д. До 3-х минут высоту определять через 0,5 минуты; с 3-х до 10 минут – каждую минуту, а затем через 2-е минуты.

1.3. На планшет А-30 нанести проекцию шара-пилота по его координатам: вертикальному углу, азимуту, высоте следующим образом

· Рабочий край линейки, проходящий через центр круга, подвести к значению вертикального угла на металлическом круге.

· Вращая подвижный прозрачный круг, под рабочий край линейки подвести значение азимута.

· В месте пересечения рабочего края линейки с кривой (L=H*ctgδ), соответствующей данной высоте шара-пилота, поставить точку проекции и оцифровать временем. Таким образом, на планшет А-30 нанести точки 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; … До 3-х минут точки проекции нанести через 0,5 минуты, с3-х до 10 минут – каждую минуту, после 10 минут – через 2 минуты.

· Если первые точки проекции невозможно нанести на планшет, то масштаб по высоте нужно увеличить в 2 или 10 раз. Если точки проекции будут выходить за пределы круга, то масштаб по высоте уменьшить в 2 или 10, или 20 раз. При изменении масштаба последнюю точку, нанесенную в прежнем масштабе, обязательно нужно повторить в новом масштабе.

1.4. Определить скорость ветра в атмосфере по проекции шара-пилота.

· Две соседние точки проекции расположить на одной линии масштабной сетки и подсчитать количество клеток в данном отрезке.

·  Если интервал времени между точками проекций составляет 0,5 минуты, то для определения скорости ветра количество клеток надо умножить на 2: 

(14).

· Если интервал времени между точками проекций составляет 1минуту, то скорость ветра равна количеству клеток проекции:

(15).

· Если интервал времени между точками проекций составляет 2 минуты, то скорость ветра равна количеству клеток проекции деленному на 2:

(16).

f – скорость ветра,

L – горизонтальное удаление, которое проходит шар-пилот под действием ветра,

t – интервал времени между точками проекций шара-пилота,

n – количество клеточек в данной проекции,

60 – масштаб одной клетки на местности равен 60 метрам.

При определении скорости ветра следует учитывать масштаб. Если при нанесении проекции шара-пилота масштаб по высоте был увеличен, то количество клеток проекции (n) надо уменьшить в такое же количество раз. Если при нанесении проекции шара-пилота масштаб по высоте был уменьшен, то количество клеток проекции (n) надо увеличить в такое же количество раз. (Например, в проекции между 10 и 12 минутами количество клеток n=22. Масштаб не изменялся. Тогда скорость ветра f= 11м/с).

1.5. Определить направление ветра в атмосфере по проекции шара-пилота. Для этого две соседние точки проекции расположить на одной линии масштабной сетки. Направление ветра в градусах отсчитать по шкале подвижного круга планшета в том месте, где она пересекает диаметр неподвижного круга со стороны меньшей минуты (откуда дует ветер). Значения скорости и направления ветра записать в книжку КАЭ-1.

1.6. Высоту середины слоя над поверхностью земли определить как среднее арифметическое и округлить до 10 метров. Пример приведен в таблице 8 для вертикальной скорости 180 м/мин и высоты теодолита над уровнем моря 200 метров.

Таблица 8

Время, мин	Высота шара-пилота над поверхностью земли, м	Высота середины слоя над поверхностью земли, м	Высота середины слоя над уровнем моря, м
0,5	90	(0+90)/2=45 ≈ 50	250
1	180	(90+180)/2=1350 ≈ 140	340
1,5	270	(180+270)/2=225 ≈ 230	430
2	360	(270+360)/2=315 ≈ 320	520
2,5	450	(360+450)/2=405 ≈ 410	610
3	540	(450+540)/2=495 ≈ 500	700

 

1.7. Высоту середины слоя над уровнем моря определить прибавлением высоты теодолита над уровнем моря к высоте середины слоя над поверхностью земли (табл. 8).

1.8. Определить высоту нижней границы облаков над поверхностью земли. Для этого вертикальную скорость шара-пилота нужно умножить на время, когда шар начинает туманиться при входе в облака.

Н_н.г.обл=W*t_тум (17)

 

1.9. Определить высоту нижней границы облаков над уровнем моря, прибавив высоту станции над уровнем моря. Например, 1746+200=1946м.

1.10. Определить скорость и направление ветра на стандартных высотах 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,6; 0,9км над поверхностью земли и 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4км и т.д. над уровнем моря путем линейной интерполяции данных между соседними серединами слоев, лежащих выше и ниже определенной стандартной высоты. Например, найти направление и скорость ветра на стандартной высоте 0,2км над поверхностью земли, используя данные в таблице 9.

Таблица 9

Высота середины слоя над поверхностью земли, м	Направление ветра, °	Скорость ветра, м/с
140	236	12
230	248	8

Если при изменении высоты на 90 метров (230-140=90м) направление ветра изменяется на 12^° (248-236=12^°), а скорость изменяется на 4м/с (12-8=4м/с), то при изменении высоты на 30метров (находим разность между стандартной высотой и ближайшей высотой середины слоя над поверхностью земли 230-200=30м) направление изменится на , а скорость изменится на . Полученные изменения направления и скорости ветра прибавляют к значениям направления и скорости ветра на ближайшей высоте середины слоя или вычитают в зависимости от хода направлении и скорости ветра в слое. Таким образом, направление ветра на высоте 0,2км будет 248-4=244^°, а скорость ветра 8+1,3=9,3м/с≈9м/с.

1.11. Определить скорость и направление ветра на изобарических поверхностях путем линейной интерполяции. Примерные высоты изобарических поверхностей над уровнем моря приведены в таблице 10.

 

Таблица 10

Давление ИП, гПа	Высота, км
850	1,5
700	3
500	5,5
400	7
Давление ИП, гПа	Высота, км
300	9
250	10,5
200	12
150	13,5
100	16

 

Пример выполнения задания

Высоту нижней границы облаков над поверхностью земли определяют по формуле:

Н_н.г.обл=W*t_тум 

Например, вертикальная скорость шара-пилота W=180м/мин, а шар начинает туманиться в 9минут 42секунды. Необходимо время перевести в минуты, поделив секунды на 60, будет 9,7минуты. Н_н.г.обл=W*t_тум=180*9,7=1746метров

 

Контрольные вопросы:

1. Каким образом (по какой формуле) определяют высоту нижней границы облаков?

2. Почему предпочтительнее наполнять шар-пилот до стандартной вертикальной скорости?

3. Дайте определение вертикального угла. На каком круге планшета А-30 нанесены вертикальные углы?

4. По какой формуле строятся котангенсоиды на планшете А-30?

5. Какая информация используется для определения скорости и направления ветра на стандартных высотах над поверхностью земли методом интерполяции?

Отчётный материал: Книжка КАЭ-1 с вычисленными значениями скорости и направления ветра.

 

Практическая работа № 7