Розроблено датчик для поліпшення прогнозу погоди
Поліпшення якості прогнозів погоди і кліматичних досліджень вимагає підвищення достовірності вимірювань. Вчені з МФТІ та Центральної аерологічної обсерваторії розробили недорогий оптичний датчик для радіозондів.
Цей датчик може з високою точністю вимірювати висоту верхньої межі хмар, визначати присутність частинок опадів в хмарах і висоту кордону між тропо - і стратосферою. Розробка надзвичайно важлива для Арктики, де надійність даних про хмари низька, особливо в полярні ночі.
Стаття опублікована в Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.
Для забезпечення достовірності параметри атмосфери вимірюються різними незалежними приладами. Крім того, для кожного параметра існують методи перевірки точності вимірювань. При цьому для таких ключових параметрів, як наявність хмарності в атмосфері і висота її верхньої межі, методи перевірки достовірності за незалежними даними відсутні.
Так як хмарність визначає радіаційний баланс і значною мірою характер процесів в атмосфері, то такі процедури вкрай необхідні. Основне джерело даних про хмарність-це супутники. Крім них, дані дають метеорологічні радари, радіозонди і наземні метеостанції. Метеорологічний радар бачить тільки хмари з опадами. Радіозонд обладнаний датчиком вологості, але при однаковій вологості хмарність може і бути присутнім, і бути відсутнім. Дані наземних метеостанцій уривчасті і суб'єктивні.
На супутниках приймається випромінювання в різних діапазонах: мікрохвильовому, інфрачервоному і оптичному. На першому етапі виявляється хмарність за даними видимого діапазону і робиться "хмарна маска". Потім на хмарну маску накладаються дані про інфрачервону температуру і розраховується висота верхньої межі хмарності. Точність вимірювання-близько одного кілометра, що для низької хмарності можна порівняти з її товщиною.
У полярних районах і взимку в середніх широтах у видимому діапазоні білі хмари губляться на тлі білого снігу. Тому хмарну маску побудувати складно, виникає дуже багато помилок, ймовірність виявлення хмарності стає близько 60 відсотків. Низька надійність вимірювань в арктичній зоні погіршує якість прогнозу погоди в середніх широтах.
Для усунення помилок потрібно проводити безперервний контроль якості супутникових вимірювань, бажано контактними методами. Вчені з МФТІ і ЦАО запропонували використовувати датчик хмарності, встановлений на радіозонд. Враховуючи, що радіозонд-одноразовий пристрій, основна вимога до нього-низька вартість.
Олександр Кочін, провідний науковий співробітник лабораторії космічної інформатики МФТІ, коментує: "Ми пропонуємо обладнати стандартний радіозонд оптичним датчиком для виявлення хмарного покриву і вимірювання висоти верхньої межі хмар. Крім того, оптичний датчик дозволяє вимірювати висоту кордону між тропо - і стратосферою. Простота використання і низька вартість нашого датчика є вирішальними факторами для застосування на метеорологічній мережі".
Хмарне середовище відрізняється від безхмарної атмосфери оптичними властивостями. Прилади для оптичних вимірювань коштують дуже дорого, а радіозонд — одноразовий прилад. Виявляється, що у найпростішого оптичного датчика на базі звичайного фотодіода величина дисперсії сигналу різко змінюється при перетині верхньої межі хмарності. Природа ефекту ще повністю не пояснена, але він дозволяє виявляти хмарність і вимірювати висоту її верхньої межі.
Проведено порівняння радіозондових даних про висоту верхньої межі хмарності з вимірами з борту спеціалізованого літака. Різниця показань виявилася менше 50 метрів. Для вимірювань в нічний час можна використовувати звичайний ІЧ-датчик для дистанційного вимірювання температури. Він також дозволяє побачити наявність хмар і виміряти висоту верхньої межі.
Результати цієї роботи можна використовувати для калібрування супутникових каналів. Також розроблений датчик дозволяє оцінити якісний вид профілю загасання видимого світла в атмосфері, що дає можливість виміряти висоту кордону між тропосферою і стратосферою, тобто висоту шару аерозолю в атмосфері.
Крім того, величина дисперсії сигналу залежить від наявності частинок опадів у хмарах. При їх відсутності дисперсія незмінна по всій товщині хмари, а при їх наявності вона зменшується до нуля на відстані 600-800 метрів від верхньої межі хмари. Ці результати дозволяють здійснити контроль якості роботи датчика вологості радіозонду. На даний момент подібних методів ще не існує. Результати роботи сприятимуть збільшенню точності прогнозу погоди та достовірності кліматичних досліджень.
Також читайте: