Разработан датчик для улучшения прогноза погоды — Naked Science
9 августа
ФизТех

Разработан датчик для улучшения прогноза погоды

4.5

Улучшение качества прогнозов погоды и климатических исследований требует повышения достоверности измерений. Ученые из МФТИ и Центральной аэрологической обсерватории разработали недорогой оптический датчик для радиозондов. Этот датчик может с высокой точностью измерять высоту верхней границы облаков, определять присутствие частиц осадков в облаках и высоту границы между тропо- и стратосферой. Разработка чрезвычайно важна для Арктики, где надежность данных об облаках низка, особенно в полярные ночи.

Разработан датчик для улучшения прогноза погоды / ©Getty images

Статья опубликована в Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Для обеспечения достоверности параметры атмосферы измеряются различными независимыми приборами. Кроме того, для каждого параметра существуют методы проверки точности измерений. При этом для таких ключевых параметров, как наличие облачности в атмосфере и высота ее верхней границы, методы проверки достоверности по независимым данным отсутствуют.

Так как облачность определяет радиационный баланс и в значительной мере характер процессов в атмосфере, то такие процедуры крайне необходимы. Основной источник данных об облачности — это спутники. Кроме них, данные дают метеорологические радары, радиозонды и наземные метеостанции. Метеорологический радар видит только облака с осадками. Радиозонд оборудован датчиком влажности, но при одинаковой влажности облачность может и присутствовать, и отсутствовать. Данные наземных метеостанций отрывочны и субъективны.

На спутниках принимается излучение в разных диапазонах: микроволновом, инфракрасном и оптическом. На первом этапе обнаруживается облачность по данным видимого диапазона и делается «облачная маска». Потом на облачную маску накладываются данные об инфракрасной температуре и рассчитывается высота верхней границы облачности. Точность измерения — порядка одного километра, что для низкой облачности сравнимо с ее толщиной.

Запуск радиозонда с оптическими датчиками в Центральной аэрологической обсерватории города Долгопрудного. Слева направо: Александр Кочин, Владимир Фоменко, Федор Загуменнов / ©Анастасия Максименко

В полярных районах и зимой в средних широтах в видимом диапазоне белые облака теряются на фоне белого снега. Поэтому облачную маску построить сложно, возникает очень много ошибок, вероятность обнаружения облачности становится порядка 60 процентов. Низкая надежность измерений в арктической зоне ухудшает качество прогноза погоды в средних широтах.

Для устранения ошибок нужно проводить непрерывный контроль качества спутниковых измерений, желательно контактными методами. Ученые из МФТИ и ЦАО предложили использовать датчик облачности, установленный на радиозонд. Учитывая, что радиозонд — одноразовое устройство, основное требование к нему — низкая стоимость.

Александр Кочин, ведущий научный сотрудник лаборатории космической информатики МФТИ, комментирует: «Мы предлагаем оборудовать стандартный радиозонд оптическим датчиком для обнаружения облачного покрова и измерения высоты верхней границы облаков. Кроме того, оптический датчик позволяет измерять высоту границы между тропо- и стратосферой. Простота использования и низкая стоимость нашего датчика являются решающими факторами для применения на метеорологической сети».

Экспериментальный радиозонд перед запуском / ©Александр Кочин

Облачная среда отличается от безоблачной атмосферы оптическими свойствами. Приборы для оптических измерений стоят очень дорого, а радиозонд — одноразовый прибор. Оказывается, что у простейшего оптического датчика на базе обычного фотодиода величина дисперсии сигнала резко изменяется при пересечении верхней границы облачности. Природа эффекта еще полностью не объяснена, но он позволяет обнаруживать облачность и измерять высоту ее верхней границы.

Проведены сравнения радиозондовых данных о высоте верхней границы облачности с измерениями с борта специализированного самолета. Разность показаний оказалась менее 50 метров. Для измерений в ночное время можно использовать обычный ИК-датчик для дистанционного измерения температуры. Он также позволяет увидеть наличие облаков и измерить высоту верхней границы.

Результаты этой работы можно использовать для калибровки спутниковых каналов. Также разработанный датчик позволяет оценить качественный вид профиля затухания видимого света в атмосфере, что дает возможность измерить высоту границы между тропосферой и стратосферой, то есть высоту слоя аэрозоля в атмосфере.

Кроме того, величина дисперсии сигнала зависит от наличия частиц осадков в облаках. При их отсутствии дисперсия неизменна по всей толщине облака, а при их наличии она уменьшается до нуля на расстоянии 600–800 метров от верхней границы облака. Эти результаты позволяют осуществить контроль качества работы датчика влажности радиозонда. На данный момент подобных методов еще не существует. Результаты работы будут способствовать увеличению точности прогноза погоды и достоверности климатических исследований. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

Вчера, 17:21
Илья Ведмеденко

Одной из новинок международного авиационно-космического салона Airshow China 2021 станет разведывательно-ударный БПЛА CH-6. На показанных фотографиях его впервые можно рассмотреть детально.

Позавчера, 12:20
Алиса Гаджиева

Возможно, ценности были спрятаны от грабителей.

22 сентября
Василий Парфенов

Современная Красная планета представляет собой суровую безжизненную пустыню, однако геологические данные показывают, что некогда воды там было едва ли не больше, чем на Земле. Причин, по которым Марс потерял почти все необходимые для развития жизни ресурсы, предлагалось немало. Но теперь ученые обнаружили надежную корреляцию между размерами небесного тела и его способностью удерживать летучие вещества.

Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

20 сентября
Илья Ведмеденко

20 сентября, в 10:10 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя «Чанчжэн-7» с грузовым кораблем «Тяньчжоу». Старт проведут в рамках программы строительства новой орбитальной станции «Тяньгун».

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: