Для чего нужен радиозонд
Радиозонд – разведчик погоды
Составить точные прогнозы погоды на много дней вперед и обеспечить безопасность полетов авиатехники помогают современные радиозонды. Один из отечественных производителей подобных устройств – концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ), входящий в Госкорпорацию Ростех.
В июле КРЭТ начал поставки Росгидромету оборудования нового поколения для радиозондирования атмосферы. Система «Полюс-С» не имеет российских аналогов и позволяет в два раза повысить точность прогнозирования погоды.
Первый в атмосфере
Открытие новой эры в изучении и прогнозировании погоды произошло 30 января 1930 года в Павловске под Ленинградом. Здесь на территории Аэрологической обсерватории был запущен первый радиозонд. Автором изобретения стал выдающийся ученый-метеоролог Павел Молчанов. Радиозонд поднялся на высоту 7,8 км и передал первое радиосообщение для советского Бюро погоды.
С 1935 года начинается серийное производство радиозондов, заложившее основы прогнозирования погоды для всего мира. Первоначальная конструкция была настолько надежна и проста, что радиозонды Молчанова выпускались без значительных изменений до конца 1950-х годов.
Сегодня в век глобализации ученые всего мира совместно следят за изменениями в атмосфере. Радиозондирование происходит организованно и систематически: ежедневно метеорологи всего мира одновременно выпускают радиозонды. Происходит это два раза в день: в полночь и в полдень по мировому времени. Только в России радиозонды отправляются на работу из более чем 100 метеостанций, а общее количество зондов приближается к тысяче. Данные с радиозондов передаются для анализа в Гидрометцентр России, где и составляется прогноз погоды.
Как работает радиозонд
Устройство и принципы работы радиозонда за более чем 80 лет его истории существенно не изменились. Небольшой измерительный прибор, снабженный метеорологическими датчиками и радиопередающим устройством, с помощью шара, наполненного газом, поднимается в атмосферу. Высота подъема зависит от диаметра шара и погодных условий. Шар летит, датчики собирают данные, радиопередатчик передает сигналы на землю. Современные радиозонды могут выдерживать температуру до минус 90 °С, а батареи обеспечивают работу в течение нескольких часов.
Сегодня новые технологии позволяют делать миниатюрные радиозонды весом около 200 грамм и отправлять их на высоту до 40 км. При этом зонд не теряет в функциональности и остается многопрофильным устройством, которое может измерять температуру и давление воздуха, скорость ветра и его направление, а также собирать данные о влажности воздуха.
Важные изменения в работе с радиозондами произошли с распространением радиолокации: определять положение шара и зонда в пространстве стало возможным с помощью радиолокатора. Кроме того, сегодня метеорологами активно применяются спутниковые системы навигации ГЛОНАСС и GPS.
Новинка для Росгидромета
Крупнейшим разработчиком и производителем радиозондов в России является предприятие «Радий», входящее в КРЭТ. В 2019 году концерн начал поставлять Росгидромету оборудование нового поколения для радиозондирования атмосферы – системы «Полюс-С».
Зонд МРЗ-Н1
Зонд МРЗ-Н1, входящий в систему, оснащен приемником спутниковых навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS и предназначен для измерения температуры от –90 до +50 °С, относительной влажности окружающего воздуха, определения координат и скорости движения радиозонда по сигналам спутниковой радиолокационной системы ГЛОНАСС, GPS и GALILEO, преобразования полученной информации в информационные пакеты и передачи их по цифровому каналу на базовую станцию «Полюс».
По сравнению с иностранными и отечественными аналогами зонд МРЗ-Н1 имеет ряд преимуществ. При весе 70 грамм продолжительность его непрерывной работы составляет 4 часа. Зонд точнее измеряет температуру и чаще обновляет данные, при этом частота передатчика варьируется в диапазоне 400,15 – 406 МГц, что не препятствует работе сотовой связи в зоне действия зонда. Стоимость системы «Полюс-С» оценивается разработчиками в 3 млн 600 тыс. рублей.
«Полюс-С» в эксплуатации
«Полюс-С» уже испытан на космодромах Байконур и Восточный, а также в экстремальных условиях Арктики. В рамках масштабного обновления оборудования система будет поставляться на метеостанции по всей стране. Это позволит российским метеорологам прогнозировать погоду на основе более современных моделей, а также предупреждать о природных и техногенных катастрофах.
По словам генерального директора АО «КРЭТ» Николая Колесова, изучение атмосферы с помощью системы нового поколения «Полюс-С» поможет российским ученым решать вопросы, связанные с глобальным потеплением, а также собирать данные, которые могут быть использованы для развития авиастроения.
События, связанные с этим
Предсказатели погоды: цифровые системы на службе синоптиков
Радиозонд
СОДЕРЖАНИЕ
История [ править ]
Гюстав Эрмит и Жорж Безансон из Франции в 1892 году первыми использовали воздушный шар для управления метеографом. В 1898 году Леон Тейссеренк де Борт организовал в Observatoire de Météorologie Dynamique de Trappes первое регулярное ежедневное использование этих воздушных шаров. Данные этих запусков показали, что температура снижалась с высотой до определенной высоты, которая менялась в зависимости от сезона, а затем стабилизировалась выше этой высоты. Об открытии Де Бортом тропопаузы и стратосферы было объявлено в 1902 году Французской академией наук. [4] Другие исследователи, такие как Ричард Асманн и Уильям Генри Дайнс., работали в одно и то же время с похожими инструментами.
В 1938 году Даймонд разработал первый наземный приемник для радиозонда, что привело к первому служебному использованию радиозондов NBS на флоте. Затем, в 1939 году, Даймонд и его коллеги разработали наземный радиозонд под названием «удаленная метеостанция», который позволил им автоматически собирать данные о погоде в удаленных и негостеприимных местах. [11] К 1940 году система радиозонда NBS включала датчик давления, который измерял температуру и влажность как функции давления. [8] Он также собрал данные о толщине облаков и интенсивности света в атмосфере. [12] Благодаря этому и другим улучшениям в стоимости (около 25 долларов США), весе (> 1 килограмма) и точности по всей стране были произведены сотни тысяч радиозондов типа NBS для исследовательских целей, и прибор был официально принят на вооружение Бюро погоды США. [8] [10]
Даймонд был удостоен инженерной премии Вашингтонской академии наук в 1940 году и премии IRE Fellow Award (которая позже была переименована в премию памяти Гарри Даймонда) в 1943 году за его вклад в радиометеорологию. [11] [13]
Расширение экономически важных государственных служб прогнозирования погоды в 1930-х годах и их растущая потребность в данных побудили многие страны начать регулярные программы радиозондового наблюдения.
Несмотря на то, что современное дистанционное зондирование с помощью спутников, самолетов и наземных датчиков является растущим источником атмосферных данных, ни одна из этих систем не может соответствовать вертикальному разрешению (30 м (98 футов) или меньше) и высотному охвату (30 км (19 миль)). радиозондовыми наблюдениями, поэтому они остаются важными для современной метеорологии. [2]
Хотя сотни радиозондов запускаются по всему миру каждый день круглый год, смертельные случаи, приписываемые радиозондам, редки. Первым известным примером было поражение электрическим током линейного монтера в Соединенных Штатах, который пытался освободить радиозонд от высоковольтных линий электропередач в 1943 году. [14] [15] В 1970 году самолет Антонов 24, выполнявший рейс 1661 Аэрофлота, потерял управление. после удара радиозонда в полете, в результате которого погибли все 45 человек на борту.
Операция [ править ]
Запуск штатного радиозонда [ править ]
Список наземных стартовых площадок США можно найти в Приложении C, Наземные станции Rawinsonde в США [19] Федерального метеорологического справочника № 3 [20] под названием Rawinsonde and Pibal Observations, датированного маем 1997 года.
Использование аэрологических наблюдений [ править ]
Правила радиосвязи [ править ]
Согласно статье 1.109 из Международного союза электросвязи (МСЭ) Регламент радиосвязи МСЭ (РР): [22]
Радиозондирование атмосферы
«Мир измерений» Июль 2009
Для расчётов прогнозов погоды как синоптическими, так и гидродинамическими методами используются данные о текущем состоянии атмосферы и различные прогностические модели
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).
Новые 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:
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.