Оптические приборы вытесняют ведро Третьякова

Не смотря на сумасшедший темп развития технологий на планете, существуют такие консервативные области знания, где любая новация может появиться только спустя десятилетия пристальных сравнительных экспериментов. Одна из таких областей — метеорология. Плюсы и минусы такого положения на примере конкретного измерительного прибора — осадкомера — предлагаю пообсуждать под катом.

Что измеряем?

В основе метеорологических измерений лежат измерения основных физических величин — температуры, давления, относительной влажности, направления и скоростей ветра. Это основные характеристики, из которых с помощью различных преобразований и подчас не простых формул восстанавливают дополнительные (но не менее важные) метеопараметры

— средние значения относительной влажности;
— упругость водяного пара;
— дефицит влажности;
— температура точки росы;
— интенсивности флуктуаций температуры и скорости ветра;
— вертикальные потоки тепла и импульса;
— характерные масштабы турбулентных флуктуаций температуры и скорости ветра
и т.д.

Все эти параметры необходимы для построения карт прогнозов и ведения трендов многолетних метеонаблюдений. Сбор данных идет уже более 150 лет и главный принцип, который действует в этой консервативной области — не торопиться менять средства измерений.

А в чем проблема?

Согласно принципа корректности метрологических измерений, все измерения должны быть четко регламентированы и осуществляться одним типом измеряемого датчика. К примеру, измерять необходимо температуру. Измеряем ее в специальном боксе, на определенной высоте, в одно и тоже время каждый день, одним и тем же термометром. Вышел термометр из строя — заменяем на метрологический поверенный той же марки или типа. А если вдруг мы хотим автоматизировать процесс? Поставить цифровой датчик! Более точный и не ошибающийся в отличие от метеоролога на станции. Нельзя. Необходимо обеспечить сходимость данных и не нарушить тренд многолетних наблюдений. Таким образом, для того чтобы заменить датчик на новый — необходимо снимать показания со старого и одновременно с нового, смотреть сходимость данных и разрывы в измерениях, делать специальные сравнительные тесты и, спустя, к примеру, пять лет таких экспериментов допустить (не допустить) датчик к таким измерениям.

Измерение осадков

Самое хлопотное, пожалуй, измерение осадков. Здесь не придумано ничего лучше, чем простое ведро конструкции В. Д. Третьякова. Состоит из сосуда с приёмной площадью 200 см² и высотой 40 см, куда собираются осадки, а также специальной защиты (на фото эти лепестки вверху), предотвращающей сдувание осадков ветром. Устанавливается осадкомер так, чтобы приёмная поверхность ведра находилась на высоте 2 метра над почвой. Измерение количества осадков в мм слоя воды производится измерительным стаканом с нанесёнными на нём делениями, а количество твёрдых осадков измеряют после того как они растают в комнатных условиях. Вот такой метод. Предвижу различные злобные комментарии, но пишу так, как есть. Но не смотря на консерватизм отрасли существуют смелые разработчики и компании, которые готовы предлагать новые подходы к измерениям в метеорологии. Им даже не страшны требования долгосрочных сравнительных экспериментов, ведь заманчивая идея попасть одновременно на тысячи постов Росгидромета после прохождения всех испытаний весьма перспективна…

Оптический осадкомер

Разработка ИМКЭС СО РАН оказалась наиболее удачной конструкцией полностью автоматизированного осадкомера. В приборе реализован оптический принцип с обработкой изображений капель и снежинок в определенном измерительном объеме.

Принцип работы предельно прост. Капли или снежинки пролетают в центре и буквально отбрасывают тени на приемник оптического излучения от источника. Измерения идут в взаимно-ортогональных областях, что снижает эффект перекрытия. Прибор (патент РФ № 119898) показал удивительные характеристики. Предельная чувствительность по количеству измеряемых осадков составляет 2•10-5 мм. В приборе устранено влияние ветрового недоучета, свойственное ведру Третьякова. Измеритель может работать в автономном режиме с выдачей информации на удаленный сервер. Интересной особенностью прибора является возможность измерения силы осадков, порывов, скоростей капель и вида осадков. Прибор способен различать дождь, снег и град.

Резюме

Разработчики прибора будут использовать его очередную модификацию в крупном проекте ИМКЭС СО РАН по созданию масштабной системы мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы. Этот проект имеет промышленного партнера ООО «Сибаналитприбор», а со стороны государства проект поддержан Министерством образования и науки (соглашение №14.607.21.0030).