Архив
Отзывы читателей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Этот номер журнала поучился очень интересным! Начиная со “Слова редактора” и кончая “Дайджестом популярных антипремий”! Да и моя статья не потерялась, хотя всего на 2-х стр.!

Поздравляю с таким успешным номером!

Самое интересное, что в свое время Л.К.Исаев устроил мне возможность выступить на заседании секции гравитационных исследований ВНИИМС с докладом по теме моей статьи. Там я и познакомился с Мельниковым В.Н. И вот теперь мы встретились снова вместе!



Читать полностью

С уважением, Трунов Г.М.

Читать
Купить
Справочная

Присоединяйтесь к нам
в социальных сетях

TwitterLivejournalПрофессионалы.Ру

Facebook Мы Вконтакте



Бюро Веритас Россия
Стандарты, обучение, тестирование, оценка и сертификация. BSI Group
Саммит HR-Директоров России и СНГ

Опрос
  1. Как вы относитесь к созданию национальных стандартов в области бережливого производства: «Основные положения и словарь» и «Требования к системе менеджмента бережливого производства»?
    41% Полностью одобряю: нужны оба стандарта
    21% Не слышал об этих стандартах
    18% Нужен только стандарт «Общие положения и словарь»
    15% Не одобряю
    5% Затрудняюсь ответить
Выставки в ЦВК Экспоцентр
Принять участие


ГлавнаяЖурналы → «Мир измерений»

01.07.2009

Радиозондирование атмосферы

Для расчётов прогнозов погоды как синоптическими, так и гидродинамическими методами используются данные о текущем состоянии атмосферы и различные прогностические модели. Текущее состояние атмосферы определяется на основе различных видов наблюдений, в том числе наземных, воздушных, морских и спутниковых. При этом ключевую роль играют данные радиозондирования атмосферы.

Радиозондирование представляет наиболее точные результаты непосредственных контактных измерений термодинамических параметров атмосферы на высотах от уровня земли до 35…40 км.

Эти данные содержат информацию о вертикальных профилях температуры, влажности, скорости и направлении ветра, а также о давлении воздуха на заданных уровнях.

Для получения информации в атмосферу выпускаются в свободный полёт небольшие лёгкие измерительные приборы, снабжённые датчиками различных метеорологических параметров и радиопередатчиком.

Такие приборы, называемые радиозондами, поднимаются до больших высот с помощью специальных латексных шаров (оболочек), наполняемых лёгким газом – водородом или гелием.

Выпускаются радиозонды одновременно во всём мире дважды в день в 00.00 и 12.00 мирового времени.

Процесс радиозондирования осуществляется с помощью информационно-измерительных систем, основанных на каком-либо способе определения пространственных координат радиозонда и включающих кроме самого радиозонда различные устройства для приёма и обработки информации.

В настоящее время во многих странах мира используются спутниковые навигационные системы зондирования. На аэрологической сети Росгидромета применяются системы радиозондирования, основанные на радиолокационном принципе определения координат радиозонда.

Первый в мире успешный выпуск радиозонда был произведён профессором П.А. Молчановым 30 января 1930 г. в Павловской обсерватории под Ленинградом [1–3]. С этого дня началось бурное развитие радиозондирования атмосферы как в нашей стране, так и за рубежом.

Применение радиозондов позволило создать оперативную аэрологическую сеть, а затем и принципиально новый метод трёхмерного анализа атмосферных процессов, который стал основой прогнозирования погоды и исследований в области физики атмосферы.

В 1982 г. аэрологическая сеть СССР насчитывала около 200 станций. Появление новой элементной базы (транзисторы, микросхемы) и необходимость повышения безопасности полётов авиации привели к созданию лёгкого, малогабаритного и экономичного радиозонда. В 1982 г. был разработан транзисторный радиозонд МАРЗ, начато серийное производство, Госстандарт СССР аттестовал его как средство измерений.

В конце 1983 г. успешно завершены государственные испытания модернизированного радиозонда с частичной заменой транзисторов микросхемами МРЗ, разработанного Уральским политехническим институтом по заказу и с участием Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО).

Используемая в этом радиозонде система зондирования “АВК-МРЗ” производит автономную автоматическую обработку результатов. В конструкцию комплекса заложено много новых технических решений, способствующих повышению эксплуатационных характеристик системы [3].

В последние годы комплекс модернизируется путём замены специализированной ЭВМ на современные универсальные ПЭВМ с применением полупроводниковых приёмо-передающих устройств и блоков питания.

В 1998–2001 гг. началось серийное производство новой радиолокационной станции (РЛС) МАРЛ, основанной на современной элементной базе и принципах обработки сигналов. Станция МАРЛ (рис. 1) выполнена в виде одноблочной конструкции. Из производственного цикла исключены работы по изготовлению точной механики для системы сопровождения радиозонда. В качестве антенны используется активная фазированная антенная решетка (АФАР). Станция МАРЛ автоматически находит и сопровождает зонд в полёте, выдаёт его текущие координаты, принимает и обрабатывает метеорологическую информацию.

С первых дней создания метода радиозондирования наряду с разработками по усовершенствованию техники и методики радиозондирования начались исследования точности радиозондовых измерений. Первым метрологом, занимавшимся проблемами повышения точности радиозондирования, был его создатель П.А. Молчанов. В последующих трудах отечественных и зарубежных учёных развивались метрологические основы аэрологических измерений и метода радиозондов как специфического метода измерений. Разрабатывались и с успехом использовались в практике, в том числе и при международных сравнениях радиозондов, различные оригинальные методы определения случайных погрешностей измерений, такие как метод тройного контроля [4], метод спаренных выпусков и анализа структурных функций [5].

Развивались математические модели взаимодействия датчиков с окружающей средой. Наибольшее внимание на протяжении всей истории развития радиозондирования уделялось исследованию радиационных погрешностей измерения температуры. В результате были произведены оценки (в основном предельные) случайных погрешностей измерений при радиозондировании [3, 6, 7]. Систематические составляющие погрешности измерений температуры и погрешности измерений влажности оценены весьма условно [4–6]. Параллельно с научными исследованиями и разработкой аппаратуры шла большая организационно-методическая работа на аэрологической сети, вначале в Главной геофизической обсерватории, а с 1940-х годов в ЦАО.

Таким образом, с конца XX века радиозондирование на аэрологической сети Росгидромета производится с помощью приборов, имеющих близкие и регламентированные (для условий производства) технические характеристики.

Сроки зондирования и правила его выполнения, оформленные в виде соответствующих нормативных документов, едины для всей сети. Проводится регулярная поверка контрольно-измерительных приборов аэрологических станций. Радиозонды проходят государственные испытания как средства измерений (СИ), результаты измерений выражаются в узаконенных единицах.

Оцениваются на доступном для своего времени уровне погрешности измерений. В целом можно констатировать, что на аэрологической сети к концу XX века достигнуто единообразие выполнения измерений и созданы предпосылки для обеспечения их единства. Такой уровень метрологического обеспечения аэрологических измерений соответствовал состоянию радиозондирования в наиболее развитых зарубежных странах [8–14].

Наземное оборудование аэрологических станций – аэрологический регистрационно-вычислительный комплекс, или более кратко РЛС, радиотеодолит или какая-либо навигационная система – обеспечивает сопровождение радиозонда в полёте, определение его координат (и тем самым измерение высоты самого зонда и параметров ветра), приём и регистрацию радиотелеметрических сигналов. В состав наземного оборудования входят также устройства для обработки сигналов радиозонда, подготовки и передачи потребителям аэрологического сообщения.

В настоящее время на аэрологической сети действуют основные радиолокационные комплексы АВК-1, АВК-1М, РЛС нового поколения МАРЛ, а с 2008 г. – и РЛС Вектор-М (рис. 2).

УвеличитьНовые радиолокаторы имеют небольшой, по сравнению с АВК, вес, легко монтируются на крыше любого здания, имеют низкое энергопотребление от обычной сети 220 В, 50 Гц (0,5…1,0 кВт) и малую излучаемую мощность. Обе станции работают в международном диапазоне частот 1680 МГц. Технические характеристики новых комплексов в целом удовлетворительные (табл. 1). Однако для надёжного достижения требуемых высот в 35…40 км и высокого качества зондирования необходимо обеспечение надлежащего состояния сервисного обслуживания. Увеличение потенциала станций по дальности, возможно, потребует их некоторой доработки.

Для дальнейшего совершенствования аэрологической наблюдательной сети необходимо развивать и иные (кроме радиолокационного) способы определения координат радиозонда в полёте, особенно навигационный с использованием спутниковых навигационных систем типа GPS или ГЛОНАСС.

Типы используемых в настоящее время на аэрологической сети Росгидромета радиозондов:

Малогабаритный аэрологический радиозонд (рис. 3) ....... МРЗ-3А (1780 МГц)
МРЗ-3АТ (1680 МГц)

Малогабаритный аэрологический радиозонд (рис. 4) ....... МРЗ-3А*(1780 МГц)
МРЗ-3А*(1680 МГц)

Малогабаритный аэрологический радиозонд сетевой (рис. 5) ........... АК2-01А (1780 МГц)
АК2-01М (1680 МГц)

Радиозонд повышенной точности (рис. 6) .................... АК2-02АО (1780 МГц)
АК2-02МО (1680 МГц)

Радиозонд повышенной точности ...................... РФ-95 (1780 МГц)

 

С помощью представленных на рис. 3–6 радиозондов измеряются вертикальные профили температуры и относительной влажности воздуха, а также параметров ветра от уровня земли до высот 30… 35 км. Их технические и некоторые метрологические характеристики представлены в табл. 2. Как видно из табл. 2, все представленные типы отечественных радиозондов утверждены Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как типы СИ с одинаковыми метрологическими характеристиками (МХ) у всех сетевых радиозондов и соответственно у обоих типов радиозондов повышенной точности (всё для нормальных условий).

Однако качество радиозондов и уровень метрологического обеспечения их производства предприятиями-изготовителями существенно различаются. Метрологический контроль производства радиозондов, который ранее осуществляли территориальные органы Госстандарта, в настоящее время отсутствует. Это приводит к большому промышленному браку, нарушению репрезентативности наблюдений, а также не способствует развитию и усовершенствованию аэрологической техники. Для эффективного использования радиозондов повышенной точности на аэрологической сети необходимо разработать соответствующую методику выполнения зондирования с их помощью, а также аттестовать радиозонды повышенной точности в качестве образцовых средств измерений.

Современное радиозондирование немыслимо без полной автоматизации процесса обработки сигналов о координатах радиозонда и сигналов радиотелеметрии. Во всех упомянутых отечественных системах радиозондирования атмосферы для обработки сигналов радиозонда используются персональные компьютеры с программным обеспечением (ПО) по формату ЭОЛ [15]. Данное ПО управляет работой АРВК и автоматически обрабатывает телеметрические данные.

Однако обрабатываются телеметрические сигналы по тому же алгоритму, который был создан в 50-е годы прошлого века, когда вся вычислительная работа аэролога могла быть выполнена только с помощью логарифмической линейки.

В настоящее время разработана с достаточной степенью детализации и экспериментально проверена теория термометрического (гигрометрического) тепло- и массообмена тел при движении их в свободной атмосфере [3, 16]. То есть появилась реальная возможность при обработке результатов зондирования вычислять действительные параметры атмосферы по измеренным их значениям с учётом как исследованных МХ прибора, так и реальных параметров окружающей среды непосредственно в процессе зондирования.

К точности радиозондовых измерений предъявляются весьма высокие и разноплановые требования. Наиболее полные требования к точности измерений при радиозондировании атмосферы сформулированы Всемирной метеорологической организацией (ВМО) [9].

Проведённые в ЦАО многолетние метрологические исследования, а также разработанные и аттестованные Госстандартом РФ (ныне – Ростехрегулирование) и ведомственной метрологической службой специальные технические средства и методики, обобщенные в [4], позволили выявить и определить величины всех МХ радиозондов, нормировать их и вычислить величины как составляющих (систематических и случайных), так и суммарных погрешностей измерений температуры и влажности при радиозондировании на аэрологической сети Росгидромета. Экспериментальная проверка с помощью образцовых приборов, поднимаемых на высотных аэростатах, полностью подтвердила результаты лабораторных исследований и расчётов [17].

В табл. 3 и 4 показаны полученные в результате исследований вероятностные характеристики погрешностей измерений температуры и влажности при радиозондировании атмосферы на аэрологической сети Росгидромета.

Как видно из таблиц, эти погрешности значительны как по температуре, так и по влажности, а при измерении влажности выше 5…7 км просто неприемлемы. Для высот выше 26 км имеются только теоретические расчёты погрешности измерения температуры, которые, безусловно, нуждаются в экспериментальной проверке.

Сопоставление полученных оценок погрешностей систем радиозондирования “Метеорит 2” – МАРЗ, АВК-1 – МРЗ-3А (МРЗ-3А*) и МАРЛ – МРЗ-3А (МРЗ-3А*) с требованиями ВМО показывает, что точность радиозондирования на отечественной аэрологической сети пока ещё далека от предельных значений, но в достаточно большом диапазоне высот не выходит за границы, определяющие практическую ценность данных о температуре и влажности для изучения и прогноза атмосферных процессов мезо- и синоптического масштабов.

В то же время нельзя не отметить, что, как показала международная выставка ТОРПЕКС-2008, точность измерений температуры и влажности радиозондами, представленными ведущими зарубежными странами, на порядок выше, чем точность измерений тех же параметров основным радиозондом, используемым в нашей сети, – МРЗ-3А.

Показанные в табл. 3 и 4 средние величины систематических составляющих погрешностей измерений температуры и влажности характеризуют смещение результатов, получаемых системой радиозондирования как типом, и поэтому не могут использоваться в качестве поправок при конкретных выпусках радиозондов.

Таким образом, в настоящее время радиозондирование на аэрологической сети РФ производится с помощью приборов, имеющих одинаковые и нормированные характеристики. Сроки радиозондирования и правила его выполнения, оформление результатов в виде соответствующих документов едины для всей сети. Ведётся регулярный мониторинг работы сетевых АРВК и поверка контрольно-измерительных приборов аэрологических станций.

В целом можно утверждать (с некоторыми оговорками), что на аэрологической сети РФ к настоящему времени единство выполнения измерений достигнуто.

Итак, для дальнейшего развития отечественной аэрологии в самое короткое время необходимо решить следующие задачи:

1. Точность измерений и качество данных аэрологического зондирования пока отстаёт от лидирующих позиций и перспективных требований ВМО.

Необходимо внедрять новые современные датчики температуры и влажности, а также переработать ПО обработки данных радиозондирования на основе учёта метрологических характеристик радиозондов и конкретных условий проведения измерений.

2. Организовать сервисное обслуживание аэрологической техники.

3. Обеспечить приток новых кадров (в первую очередь проблема касается инженеров по радиолокации).

4. На аэрологических станциях заменить устаревшие ПЭВМ, комплектующие к которым уже не выпускаются и на которые нельзя поставить современное программное обеспечение.

5. Привести в соответствие с современными социальными требованиями условия труда на аэрологических станциях. Как минимум следует заменить газогенераторы АВГ-45 для добывания водорода на современные электролизные установки.

6. Необходимо развивать как в техническом, так и в методическом плане систему оперативного мониторинга качества радиозондирования, а также добиваться единого уровня метрологического обеспечения производства радиозондов в соответствии с Положением о метрологическом обеспечении радиозондирования, утверждённым Росгидрометом.

7. Требуется уже сегодня приступить к разработке системы зондирования нового поколения. Такой системой может быть только навигационная система радиозондирования с использованием спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

М.Б. Фридзон, доктор технических наук

Ю.М. Ермошенко, ФГУП “Гидрометпоставка”, г. Долгопрудный Московской обл.

Литература

1. Гольцман М.И. Основы методики аэрофизических измерений. – М.-Л.: ГТТИ, 1950. – 300 с.
2. Молчанов П.А. О точности зондирования атмосферы методом радиозондов // Метеорология и гидрология. – 1936. – № 2. – С. 30–41.
3. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и использования радиозондовых измерительных средств. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2004. – 596 с.
4. Зайчиков П.Ф. Метод “тройного контроля” и его применение для исследования точности радиозондов // Труды ЦАО. – Вып. 16. – М., 1956. – С. 10–15.
5. Решетов В.Д. Изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 215 с.
6. Марфенко О.В. Оценка точности результатов радиозондирования на аэрологической сети Советского Союза // Метеорология и гидрология. – 1969. – № 3. – С. 14–21.
7. Фридзон М.Б. Оценка погрешности измерений температуры и влажности при радиозондировании на аэрологической сети СССР // Метеорология и гидрология. – 1989. – № 5.
8. Final report of Commision for instr. and methods of observation (CIMO) on 2 session of the working group on upper-air technology basic to user needs. De Bilt, Netherlands, 17–21 Sept, 1984.
9. Guide to meteorological instrument and observing practices // WMO. – 1984. – № 6. – 600 p.
10. Hinzpeter-Max F.E. The reference radiosonde as a tool for improving meteorological data from conventional radiosondes. – IEEE Trans. Geosci. Electron., 1973. – V. 11. –№ 2. – P. 110–123.
11. Lenhard R.W. A ravished assessment of radiosonde accuracy // Bull. Amer. Meteorol. Soc. – 1973. – V. 54. – № 7. – P. 691–694.
12. Lenhard R.W. Accuracy of radiosonde temperature and pressureheight determination // Bull. Amer. Meteorol. Soc. – 1979. – V. 61. – № 9. – P. 842–846.
13. Richner H., Phillips P.D. Reproducibility of VIZ radiosonde data and same sources of error // J. Appl. Meteorol. – 1981. – V. 20. – № 8. – P. 954-982.
14. Upper-air sounding studies. Studies on radiosonde performance // WMO Tecn. Notes. – 1975. – № 140. – P. 1–140.
15. Азаров А.С., Азаров М.А., Кочин А.В. О корреляционном методе обработки телеметрической информации в аэрологических системах радиозондирования // Научный вестник МГТУГА. Серия Физика – 1999. – № 18. – С. 9–12.
16. Фридзон М.Б. Физическая модель погрешности измерения температуры и влажности при радиозондировании атмосферы // Труды НИИ приборостроения. – Вып. 48. – М., 1985. – С. 24–37.
17. Балагуров A.M., Дозорцев А.Р., Зайчиков Б.П., Немировский И.Б., Фридзон М.Б. Комплексный эксперимент по исследованию погрешностей измерения температуры и влажности сетевым радиозондом // Второй Всесоюзный семинар “Технические средства для государственной системы наблюдений и контроля природной среды (ГСКП)”: Тез. докл. – Обнинск, 1983. – С. 138–139.

Теги: Метеорология
Начало активности (дата): 01.07.2009
Количество показов: 39001

Автор: М.Б. Фридзон, Ю.М. Ермошенко
Рубрика: Тема номера

Полная версия статьи доступна подписчикам журнала "Мир измерений".

Подписаться

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>


Комментарии (13)
VictorEdugh , 30.08.2017 13:03:29
Michaelinify , 30.08.2017 18:27:39
MajorTuh , 30.08.2017 20:27:57
WilfredEnush , 30.08.2017 22:26:53
Donaldwealo , 31.08.2017 08:47:59
Marvintex , 31.08.2017 19:39:21
first-class web site ссылки не допустимы
RichardLet , 15.09.2017 02:45:37
Jameswhani , 15.09.2017 07:47:40
WarrenGox , 15.09.2017 08:12:36
BillyFug , 16.09.2017 05:50:00
Davidemalf , 16.09.2017 11:23:14
Donnynip , 18.09.2017 11:03:45
JamesNof , 19.09.2017 00:57:56

Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play


Открытые статьи:

Измерения качества жилищно-коммунальных услуг
Температурный мониторинг удалённых объектов по GSM-каналу
Главные социальные проблемы России последнего десятилетия
Новый измерительный инструмент?
О потерях в Великой Отечественной войне
Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре
Военное применение лазерных технологий
Обеспечение качества продовольственных товаров
Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-200842
Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях
Рождение нефтяной отрасли в России
Красота спасет мир... науки



 

СТАНЬТЕ ПОДПИСЧИКОМ НАШЕГО ЖУРНАЛА!

ЗАО Мультифильтр - Промышленные воздушные фильтры Рейтинг@Mail.ru