Пару лет назад я уже кратко писал об этой разработке одного из институтов Томского научного центра. Конечно, разработку приборов (особенно экологического мониторинга) не всегда удается провести в режиме «быстрого» стартапа, но этому имеется ряд объяснений, которые часто не зависят от разработчиков. Предлагаю проанализировать ситуацию и познакомиться с разработками интересных приборов для такой консервативной сферы, как метеорология. В этой статье пойдет речь об оптическом измерителе осадков, который, в конечном счете, уже должен как-то заменить используемый для этих целей метеорологический прибор — ведро. Да, да, друзья, именно ведро. Ведро Третьякова — штатный осадкомер, который уже десятками лет используется Росгидрометом. С другой стороны, что может быть надежней ведра? Наверное, только таз… В этом и заключается исключительная консервативность сферы метеорологии. Новые средства измерения должны не нарушать многолетних рядов метеонаблюдений и для того, чтобы сменить ведро Третьякова на новые приборы для регистрации осадков, требуется многолетние сравнительные измерения. Хватит ли первой четверти XXI века для этого? Предлагаю пообсуждать это под катом! Ещё немного о ведре Третьякова
Не подумайте, что мой сарказм в начале статьи как-то направлен на очернение существующих методик и приборов, используемых для метеорологических измерений. Нет. В свое время такие приборы и методики были очень передовые. Речь идет о том, что ситуация меняется, многие интересные технологии позволяют решать задачи метеорологии на принципиально новом уровне и, самое главное, снизить человеческий фактор. Ведь работу по снятию метеорологических данных на ключевых постах метеонаблюдений осуществляет метеоролог. Это люди чрезвычайно ответственные, но это люди. Конечно, существуют автоматические станции метеонаблюдений, но по правилам и они с определенной периодичностью обслуживаются людьми.
Возвращаясь к ведру Третьякова. Это металлическая ёмкость с ветровыми гасителями, такими лепестками, которые гасят ветровое влияние, когда идет косой дождь. Так выглядит прибор в сборе.
Ведро Третьякова устанавливается на определенную высоту и, к сожалению, его обслуживание никак не обходится без метеоролога. Специалист замеряет количество осадков вручную, используя шкалы или линейку. После измерений необходимо слить воду из ведра. Конечно, для определения твердых осадков прибор особо не подходит.
Кстати, самой распространенной травмой на метеостанции является падение людей с лестниц, ведь многие приборы устанавливаются на высоту 2 метра. Представьте себе, каждые три часа прыгать по мокрым или обледеневшим металлическим лестницам? Ноги, руки береги!
Оптические осадкомеры
Конечно, в большинстве стран уже давно не применяются такие средневековые технологии регистрации осадков, как с помощью ведра. В большинстве своем используется оптические осадкомеры. Вот, для примера, приборы такого вида используются в Германии и США. Как сейчас принято говорить — у «наших партнеров».
Действительно, для такой задачи использовать оптическую регистрацию сигнала самое разумное. Высокая точность, не нужно особого ухода, приборы защищены от замерзания, нет человеческого фактора. По этому же пути пошли и разработчики российского оптического прибора для регистрации осадков — осадкомера ОПТИОС (ОПТический Измеритель ОСадков).
Как же работают такие приборы? Основой измерений является непрерывный анализ теневых изображений капель на оптическом приемнике при прохождении капелек дождя через измерительную площадку.
Но ведь капли не одиночные? Да, капель много, но для этого и применяются алгоритмы потоковой обработки изображений, а в качестве детектора оптического излучения используются специальные протяженные скоростные матрицы. Это позволяет не только определить интегральное (общее) количество осадков, но определить тип осадков (дождь, снег, град), скорость падения капель и структуру осадков. Это дает дополнительные интересные данные, которые, в частности, можно использовать для научных исследований. Так, к примеру, выглядит распределение капель дождя по размеру и, что самое замечательное — можно регистрировать снежные осадки, что в случае с ведром Третьякова уже затруднительно.
Кстати, капли вовсе не шарообразные. Они несколько вытянуты и практически все у поверхности Земли разбиваются на более мелкие, хотя на высоте, конечно, капли крупнее. Разлет капель связан с тем, что при полете к поверхности Земли они набирают приличную скорость и даже самая крупная капля на определенной скорости неизбежно разлетается на мелкие. Скорость капель также можно оценить.
Большинство капель смеет скорость не более 9 м/с, а снежинки летят с максимальной скоростью не более 1-2 м/с. Другое дело град. Это более серьезная задача, с которой также неплохо справляется оптический осадкомер. Конечно, речь идет о малоинтенсивном граде. К примеру, такой град и измерять не стоит. Лучше просто спасаться!
Но это редкость. В большинстве своем град значительно мельче. В 95 процентах случаев градины размером не более 5 мм, но скорость их выше и может достигать до 50 м/с. Так выглядят теневые изображения градин с приемника оптического изображения осадкомера.
Вообще анализ теневых изображений очень увлекательное дело. Действительно, формы и виды снежных осадков удивляет.
Всё это лишь дополнительные возможности, которые предоставляются исследователями. Главную же задачу оптические осадкомеры решают надежно. Автоматически измеряют количество, вид и структуру осадков, передают данные для анализа и могут работать даже в самых суровых условиях. Остается только надеяться, что они придут за замену старым приборам, но пока лишь идет процесс сравнительных испытаний, который может длиться очень долго. Вот как это происходит.
Приборы должны стоять рядом многие месяцы и только сравнительные эксперименты могут дать шанс новому прибору появиться в арсенале метеорологов. Вообще по сути это абсурдная ситуация. Оптические измерения точнее, осадкомер новой конструкции лучше работает со снегом и также определяет структуру осадков. Конечно, по дождю сходимость результатов добиться наверное можно, но как же погрешности измерений? Влияние человека? Испарение воды? Эти и другие вопросы остаются открытыми…
Вообще регистрация количества осадков является одной из важнейшей задач метеорологии, так как погоду определяет, в частности, так называемый, мировой водный контейнер. Или проще говоря — круговорот воды в природе. Поэтому развитие приборов по регистрации количества осадков является важной технической задачей.
Вообще метеорология является крайне консервативной сферой. Наверное, это имеет свои объяснения, но с другой стороны в ней действуют уже трудно объяснимые традиции. До сих пор измерять температуру на метеостанции приходится градусниками по ГОСТу 1968 года (ГОСТ 13646-68). Интересно, в чем уж такая необходимость? Также используются ртутные термометры для измерения температуры почвы и воды в водоемах по требованиям ГОСТ 112-78 1978 года. Сколько сломано в земле таких ртутных термометров или утоплено в реках и озерах? Может в этом и есть глубинная суть, но её не понимаю. Если кто-то сможет объяснить — прошу оставить свой комментарий. И, конечно, всем хорошей погоды и приятного дня!
Комментарии (19)
DimmiSfai
14.11.2016 09:24Может стоит бордюрчик на козырьке со стороны сенсоров сделать? А то снег туда скатится и попортит всю статистику…
hardegor
14.11.2016 19:19Бордюры увеличат ветровой недоучет. Используется подогрев чтобы снег не накапливался, а испарялся.
DimmiSfai
15.11.2016 08:40На фото снег на них вполне себе лежит… а на западных аналогах крыша наклонная.
P.S. Не знаю, что такое «ветровой недоучет», просто пишу что вижу.hardegor
15.11.2016 09:34Одно из главных недостатков ведра — когда осадки идут с ветром, оно начинает сильно ошибаться, это называется ветровой недоучет. Для снижения влияния ветра устанавливают лепестки как на картинке.
Оптический можно сделать тонким — тогда ветровой недоучет минимален. Установка бордюров увеличивает влияние ветра.
DancingOnWater
14.11.2016 10:40+1>Вообще метеорология является крайне консервативной сферой. Наверное, это имеет свои объяснения, но с >другой стороны в ней действуют уже трудно объяснимые традиции. До сих пор измерять температуру на >метеостанции приходится градусниками по ГОСТу 1968 года (ГОСТ 13646-68).
По-моему в комментариях к давешнему посту уже давался ответ: климатические модели. Они, заразы, очень чувствительны (тот самый эффект бабочки). Поэтому, чтобы можно было безболезненно брать старые данные необходимо исследовать все источники погрешностей у нового и сделать так, чтобы среднее значение совпадало и у того и у того на тех же измерениях совпадало.
Uris
14.11.2016 12:30Да, это один из аргументов в пользу чрезмерной консервативности. Однако, есть один момент. Россия огромная и протяженная страна, которая из-за практического отсутствия качественных метеонаблюдений является для моделистов глобальных моделей огромной проблемой. Надо настраивать сеть метеостанций и по сути даже коммерциализировать эти глобальные данные, нехватка которых не позволяет эффективно строить и уточнять климатические модели. К сожалению, анализ ситуации из космоса не спасает ситуацию, для глобальных моделей очень ценны именно земные метеонаблюдения и локальные эффекты, которые можно учесть только развивая сеть наземных метеостанций.
Serbushko
15.11.2016 11:11Дело по метеохвату территории РФ вроде налаживается — должны установить 150 метеорадаров. Конечно, это немного другой масштаб оборудования и ставиться преимущественно в обжитой зоне — гражданские и военные аэродромы. Возможно, мысль дойдет и дальше — объединить метеорадары в сеть, для коммерческого использования оперативных метеоданных. Финишный 2015г уже прошел, но как обычно немного все «сдвигается вправо».
Вот что представляет из себя этот ДоплеровскийМетеоРадиоЛокатор-С. Не то чтобы разрабатываю, но рядом стою.
И в ИМКЭС раньше захаживал, мир тесен :)
AllexIn
15.11.2016 09:03Меня дико смущает концепция сравнения приборов в неконтролируемых условиях.
Это же бред…
Откуда у нас информация, что ведро работает правильно?
МЫ ставим ведро и оптический измеритель рядом.
И результаты расходятся. Мы автоматически откидываем оптический измеритель ка кне годный. А если он то как раз правильно посчитал и это наше старое ведро плохо считает?
Разве не в контролируемых условиях надо такие опыты проводить? Когда мы заранее знаем, какой результат должен быть.hardegor
15.11.2016 09:28Здесь есть два момента:
— исторически накопленная база измерений осадкомером типа «ведро». Поэтому, что-бы оптический заменил ведро, он должен выдавать такие-же показания как и ведро. А то получится как с майскими указами президента: чтобы их выполнить просто изменили методику подсчета показателей :)
— для дождя контролируемые условия очень трудно создать — необходима специальная камера которая генерирует точное количество капель заданного размера и скорости(расчетная высота с десять метров). Для снега всё сложнее на порядок, но есть еще град, мокрый снег, морось и т.д.
GrandStorm
15.11.2016 11:12С какой точностью размер тени измеряется? И какова погрешность общих измерений?
golf2109
15.11.2016 12:45+1А что прадставляют собой «линейные сенсоры» в Вашей схеме измерителя и где о них найти информацию поподробней?
trapwalker
16.11.2016 09:58+1А что мешает метеостанциям держать и новые и старые приборы одновременно? Пусть выдают протегированные потоки данных с описанием приборов и потребители уже выбирают приглянувшийся поток.
Отсутствие конкуренции сказывается, как я погляжу, самым неприятным образом.
Если бы появились в продаже интегрированные компактные метеостанции, требующие минимального обслуживания, или не требующие его вовсе, думаю краудсорсинг сбора метео-данных вполне мог бы поколебать консервативный застой государственных метеорологических служб. Почему я так верю в краудсорсинг? Да потому, хотя бы, что есть такие сервисы, как flightradar, "Народный мониторинг" и прочие.
odissey_nemo
17.11.2016 14:39+1Краудсорсинг хорош массовостью и плох отсутствием единого подхода к качеству данных.
Те же персональные метеостанции могут и обязательно будут давать существенные погрешности в получаемых данных. И попытки их калибровки вступают в диалектическое противоречие с самой идеей объединения изолированных источников информации на добровольной основе. Дают однотипные данные в общих единицах измерения — это и есть максимум возможного.
Тоже и с картами — каждый непрофессионал вводит на карту своё личное видение объективной реальности. В среднем на краудсорсинговой карте появляются почти все существующие в реальности объекты, но их достоверность много ниже профессионально нанесённых данных. Не говоря уже о практической возможности внесения заведомо ложных данных. В мире чистогана и наживы, где маслянисто перемешиваясь, флуктуируют ментальные потоки конкурентности и взаимной ненависти всех против всех это — имманентное свойство картографического краудсорсинга.
trapwalker
16.11.2016 10:51+1А с какой периодичностью должно проверяться это ведро? Мне почему-то казалось, что для повышения точности регистрировать осадки нужно с помощью тёплой воронки.
- Большая площадь створа воронки позволит собирать больше воды, что должно повысить точность измерения.
- Подогрев воронки вызовет таяние снега.
- Наклонные стенки, собирающие воду. не дадут ей быстро испаряться.
- Количество воды можно мерять по уровню жидкости в тонкой вертикальной трубке с большой точностью и частотой.
- Избыток воды дискретными порциями можно удалять из трубки дозатором.
Хотя, конечно, определение формы и размеров капель, снежинок и градин — это дорогого стоит и никакой воронкой этих данных не получить. Да, наверно оптический сенсор самый логичный и эффективный вариант.
Leo7777
Есть модифицированное ведро, там внутри одного ведра, другое, подвешенное на трех пружинах и стоит какой-то датчик который улавливает колебания, не помню название датчика.
Да и копеечное оборудование можно поставить везде, затраты на обслуживание не нужны, т.к. ставится оно на метеоплощадке, где все равно есть сотрудник снимающий показания со всех приборов.
У Росгидромета есть отечественные приборы, где приемник-излучатель это одна «камера», а вместо второй «камеры» стоит простой отражатель.
Uris
Скорей всего это доделки для удобства. Кстати, таких вещей на метеостанциях много. Но это не решает главной проблемы — устаревшего основного оборудования…
Leo7777
Основная проблема это финансирование метеослужб, сам спроектировал целую линию промышленных приборов и достаточно дешевых (до 50к руб прибор и все сигналы по цифре передавались. Спрос не велик, покупал кто угодно, только не Росгилромет, хотя первый образцы туда отдали и получили положительные отзывы. Тогда у них в планах было всё объеденить в единую сеть. В общем производство это сейчас еле держится, несмотря на то что фирма государственная.
Uris
Тоже проблема, согласен.