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).

    Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

    Сможет ли решить наука задачу корректного прогнозирования погоды?
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 38
      +5
      Интересно, как часто этому прибору нужно протирать от пыли окошечки датчиков, или это делается автоматически?
        +1
        Какое-нибудь олеофобное покрытие и никакая грязь приставать не будет. Раз в год протереть от минеральных отложений — и этого может быть вполне достаточно. Темболее, что сам прибор может сказать когда это будет необходимо сделать.

        Да, а принцип-то не сильно отличается от датчика чистоты воздуха, который подсчитывает количество пылинок в объёме.
        +2
        Полностью точный прогноз погоды сделать будет нельзя только по той простой причине что для этого потребуется математическая модель планеты в натуральную величину.
          –4
          Эта проблема только технического плана, т.е. в принципе решаемая.
            +1
            Не только техническая.
            Затык не столько в объемах вычислений (хотя и в нем тоже), сколько в построении модели как таковой.
            Области типа аэродинамики слишком сложны для «прямого» моделирования — там сплошная эмпирика.
              0
              Эта проблеме не решаема. Абсолютно точных моделей объекта кроме самого объекта попросту не существует. Что-то хоть менее точное чем сам объект уже не может быть абсолютно точной моделью.

              Даже грубо рассчитать гидродинамику на основе масштабной модели может оказаться на порядки точнее чем нынешние матмодели, но это потребует наличия модели размером с луну, например. А у нас пока имеются модели в виде компьютеров, которые оперируют ячейками со стороной в 40км, и те едва способны дать прогноз на несколько часов.
                0
                Так абсолютно точная модель то и не нужна. У нас же нет задачи предсказать движение потоков воздуха и их параметры в каждом кубическом миллиметре атмосферы. Сойдет и достаточно приближенная модель.
                  +2
                  Даже кубический метр, и тот проблема. Нынешние модели используют ячейки в 16 кубических километров, и то сложность огромная. При этом из-за низкой точности еще даже не приступили к учету влияния гравитационного поля…

                  Можно кстати оценить примерно какую площади должны занимать микросхемы памяти только для хранения промежуточных состояний прогноза в масштабах планеты — количество параметров известно, количество элементарных ячеек для анализа и размеры ячейки памяти тоже.
                    0
                    Это не значит «принципиально невозможно», это значит «технически очень сложно и дорого», имхо.
                      +1
                      Создать точную модель объекта — принципиально невозможно, чуть менее точную — технически сложно, и тем сложнее чем точнее модель.

                      Вот когда дойдут до сетки в 1 километр, тогда можно строить прогнозы по предупреждению катаклизмов на ближайшие часы, а может и дальше.
                    0
                    А откуда вы знаете, что сойдёт? А вдруг нет?
                    Разумно предположить, что, к примеру, выделяемое городом тепло влияет на климатообразование. А тепло это зависит, в том числе, от количества машин, которые приехали в город в этот день. То есть, чтобы построить абсолютно точную модель, предсказывающую климат, вам нужно в том числе предсказывать, сколько машин приедет в город в этот день. А это уже будет нарушение принципа свободы воли — все машины приехали в город потому, что их хозяева так захотели.
                    +1
                    я работал в компании где моделировались выбросы вредных газов — типа CO, NO, и подобные. Максимальный обьем для Кувейта площадь 400x400 км. Причем учитываются рельеф, постройки, и типы поверхности. Разрешение 10 см. Моделирование до 5 лет вперед на довольно средних мощностях.

                    В принципе если бы желание моделировать на планетарном масштабе — это вполне реально.
                    +3
                    А я думаю, что в образовании погоды участвуют абсолютно случайные, и следовательно, непрогнозируемые события.
                      0
                      Ну ведь все эти события происходят по каким-то причинам и законам? Значит, их можно смоделировать, при наличии достаточного количества входных данных, достаточного количества вычислительных мощностей и адской математики.
                        0
                        вопрос в том сколько надо для этого вычислительных ячеек.
                        Чтобы полностью промоделировать поведение 1 куб. метра атмосферы нужен вычислитель в миллионы раз меньше(иначе смысл такого вычислителя в планетарном масштабе) этого самого куб.метра который бы не только хранил текущее и прогнозируемое состояние а еще и был бы способен просчитать прогноз с установленной точностью быстрее реального объекта.
                        Пока это возможно только за счет изменения времени прогноза в будущее, и заданной точности и частично за счет соотношения объема вычислительной аппаратуры(более эффективные вычислители способны быстрее или с большей точностью просчитать один и тот же объем атмосферы) к объему прогнозируемого объекта — фактически это соотношение килограмма серверов к кубическим метрам атмосферы.
                          +2
                          Учёные, занимающиеся кватновой физикой, уверены что в микромире процессы происходят случайным образом. Если и можно смоделировать какой-то процесс, это не означает, что его можно предсказать.
                          Мне кажется, что и в метеорологии могут быть такие же случайные процессы, которые невозможно предсказать в принципе. А моделировать можно всё, что угодно.
                            0
                            Квантовая физика — это нечто совсем-совсем другое, тут свои принципы и неопределенности.
                              +4
                              А еще, если мне не изменяет память, то разработка моделей прогноза погоды привела к созданию теории хаоса.
                              Это такая специальная область математики, в которой системы черезвычайно сильно зависят от начальных условий.
                              Допустим поставили термометр поточнее, вместо 4х знаков после запятой стали иметь точность 6 знаков и забили более точное измерение в модель. Казалось бы, прогноз погоды должен немного уточниться. А вот нифига, скорее всего прогноз измениться очень сильно. Знаменитое выражение про взмах крыльев бабочки в Бразилии и ураган в Техасе было сказано именно в этом контексте. И с виду такие сисемы действительно кажутся хаотическими и абсолютно не детерминированными, но тем не менее они живут по некоторым правилам
                                +1
                                Правила не означают автоматическую возможность предсказаний.
                                Правила подбрасывания монетки: монетка падает одной из сторон с вероятностью 1/2.
                          +2
                          А еще нужно точно задать начальные условия. С точностью до молекул. А иначе эффект бабочки. И модель погоды надо иметь адекватную. А еще учитывать влияние космоса.
                          P.S. надо было обновить страницу перед отправкой :)
                            +1
                            В хаотических системах главная идея как раз в том что бесконечно малое изменение начальных условий приводит со временем к конечным изменениям системы. Так что уточнение начальных условий приведет только к увеличению времени прогноза, и совсем не факт что увеличение будет пропорционально.
                            +4
                            Это принципиальная проблема. Атмосфера неустойчива. Это значит, что любое возмущение со временем может усилиться до глобальных масштабов. Грубо говоря, я сейчас хлопну в ладоши, и из-за этого через неделю образуется новый циклон.

                            Ученые утверждают, что прогноз погоды на срок больше 5-7 дней невозможен (это как раз типичный срок развития нового циклона «из ничего»). (Можно предсказывать климат на гораздо больший срок, но это совсем другое дело).
                          +7
                          Так вроде же выяснили, что погода — хаотическая система, разве нет? Т. е. прогнозирование теоретически возомжно, а практически не реализуемо.

                          P. S. А не будет ли проблемой расхождение показаний старого и нового приборов в ветренных условиях? Новый-то точнее, но теряется возможность сравнивать новые показания со старой историей, если я правильно понял.
                            +3
                            Хаотическая она в том смысле, что описывается теорией хаоса. Это математическое определение)) И оно немного отличается от обывательского понятия хаоса
                              +2
                              Спасибо, кэп. Конечно же, ты это знал, а я — нет.
                              Это означает, что для повышения точности прогнозирования нужно все точнее и точнее измерять начальные параметры, а точности измерений есть предел + огромное количество участвующих факторов, которые, опять-таки, все надо измерить.
                              +3
                              Насколько я знаю у хаотических систем, сущкстует горизонт прогнозирования, после которого даже гигантское увеличение точности данных и их объема лишь незначительно увеличивает дальность точного прогноза.
                                0
                                >Так вроде же выяснили, что погода — хаотическая система

                                а как выяснили?
                                  0
                                  Точнее уравнения, которыми ее описывают хаотическая система с точки зрения математики
                                +4
                                Странно, что не указана точность прибора. Чувствительность — это, как я понимаю, минимальная измеряемая величина.
                                Плюс не очень понятен принцип измерения в сильный ливень, а особенно, в сильный снегопад. Измерение проводится всего в двух плоскостях, что дает множество наложений теней. А в случае снега — снежинки ж имеют разную плотность, и в случае сильной вьюги вообще могут двигаться вверх.
                                Вобщем, ведро явно надежней и точнее. А для автоматизации значительно проще и дешевле сделать автоматическое измерение уровня воды в ведре и дистанционный слив :)
                                  +2
                                  Тоже не понимаю, как данный прибор может прямо измерить количество осадков в случае снега. Для этого нужно ведь не количество снежинок посчитать, а сколько воды из них получится, когда они растают. Снежинки имеют сложную фрактальную структуру, которая в разных метеоусловиях может давать разную плотность. Возможно, есть какие-то эмпирические зависимости, позволяющие определить плотность снежинок по температуре и влажности воздуха, но это уже будут косвенные измерения.

                                  Видимо этот прибор все же не очень корректно считать заменой ведру, он скорее интересен из-за своих дополнительных возможностей:
                                  Интересной особенностью прибора является возможность измерения силы осадков, порывов, скоростей капель и вида осадков. Прибор способен различать дождь, снег и град.

                                  0
                                  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.
                                  Погодите, но у любого средства измерения есть межповерочный интервал. Тот же термометр может десятки лет не ломаться, но где гарантия что он не привирает с каждым годом? Или все-таки поверка проводится в положенный интервал?
                                    0
                                    Электронных термометров можно поставить сразу 10 или 100 и периодически приезжать на проверку с ртутным.
                                    0
                                    А я не понял, как ветер влияет на измерения ведром?
                                      +2
                                      Зимой в основном, снег сдувает-выдувает.
                                        0
                                        Точное измерение количества осадков получается только в безветреную погоду. При косом дожде, например, стенки ведра не дают части капель «зарегистрироваться», насколько я понимаю.
                                        +3
                                        Вся эта метрологическая возня с живыми метеорологами осталась в весьма ограниченном числе мест. Норвежский Meteorologisk institutt имеет самую плотную сеть метеостанций в мире, судя по всему, и делает самый подробный (и, судя по всему, точный) прогноз, включая горные районы. И вся эта сеть — автоматизирована. Никаких ведер Третьякова на этих станциях нет.
                                          0
                                          Наверняка есть, только с интегрированным уровнемером и сливным клапаном. Может даже с подогревом, когда снег нужно измерить.
                                          +2
                                          Идея более чем не нова.
                                          Немецкий доведенный до ума аналог стоИт у нас на судне уже порядка трех лет и меряет осадки в автоматическом режиме.
                                          И — да, окошечки надо протирать раз в пару недель.
                                          И — да, смена методологии измерения осадков сильно влияет на методы оценки климатических изменений, поэтому применимость этих данных действительно не глобальна и под вопросом.
                                          И — да, это слишком дорого по сравнению с обычным ведром.
                                          И еще очень много всяких «но».

                                          Не совсем понял, при чем тут измерение осадков и вопрос о прогнозироание погоды. Скорее, связь обратная: по измерениям калибруются параметризации в моделях. На основе измерения осадков in-situ прогноз не построишь ваще никак.

                                          По поводу прогнозирования и точности — это опять же вопрос сети наблюдений. В Германии вся территория усыпана допплеровскими радарами — в результате они имеют достаточно точное, — для входных данных модели, — поле ветра. В России даже вокруг Москвы и по области — этих данных катастрофически недостаточно. В результате имеем дыры, в том числе в краткосрочном прогнозировании экстремальных погодных условий.

                                          И кстати тут некоторые комментаторы правильно написали: проблем сразу несколько.
                                          Во-первых, никакую микрофизику атмосферы сейчас никто не в состоянии сформулировать — слишком сложны и неисследованы еще связи между явлениями. Нельзя просто взять уравнение состояния идеального газа и считать по нему атмосферу. Для того, чтобы учесть недостаточно исследованные зависимости, используются функциональные заменители законов — «параметризации». Которые эмпирически выдают для нужного района по наблюдаемым величинам какие-то другие величины. Например, приток солнечной радиации по облачному покрытию. А потом — с использованием этого параметра и типа подстилающей поверхности — интенсивность парообразования, теплообмен с поверхностью и пр. И эти параметризации — только часть проблемы.
                                          Верно тут подметили: нынешние модели в большинстве своем «считают погоду» на сетке хорошо если хотя бы с 50-км ячейкой. В эти ячейки запросто «проваливаются» все высокоэнергетичные конвекции вроде грозовых ячеек. Модель-то в среднем даст некоторые предпосылки для образования таких конвекций. Но где именно пробьет и потом прольется — не просчитает.
                                          Другая часть — в принципиальной невозможности стабилизировать решение системы диффуров на достаточно долгий срок. Все нынешние модели имеют предел достоверности решения диффуров порядка 5-6 суток. Дальше этим решениям доверять уже нельзя.
                                          Ну и недостаток исходных данных (краевых и начальных) — тоже очень большая проблема. Когда не от чего оттолкнуться, — землю не перевернешь.

                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                          Самое читаемое