Как ИИ изменит нашу жизнь — в специальном проекте Naked Science!
Перейти
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
09.08.2021
ФизТех
870

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 14:24
Василий Парфенов

Что такое накопитель энергии? Чем отличается аккумулятор от батареи? В чем настоящее чудо электричества? Вся эволюция человечества тесно связана с нашим умением добывать энергию в разных формах. Но настоящая революция произошла, когда появились технологии преобразования тепла, давления и работы в электричество. Благодаря этому мы научились транспортировать энергию и запасать ее. Дальнейший рост эффективности энергосистем невозможен без накопителей. Naked Science решил разобраться во всех деталях.

Вчера, 18:46
Анна Новиковская

В течение 55 лет никто не исследовал часть космоса, где мог зародиться сигнал «Wow!», который некоторые астрономы считают посланием инопланетной цивилизации. Теперь международная группа исследователей провела двойное телескопирование области, откуда, вероятнее всего, этот сигнал пришел, но не нашла там ничего достойного внимания.

Позавчера, 11:31
Сергей Васильев

Биологи впервые определили природный путь синтеза кокаина и перенесли соответствующие гены в растения табака, «научив» их производить небольшие количества наркотика.

26 ноября
Александра Медведева

Окаменелость крошечного морского червя, жившего 525 миллионов лет назад, разрешила вековой спор об эволюции мозга членистоногих. Исследование показало, что мозг первых членистоногих не был сегментирован, а нервная система головы и туловища эволюционировала независимо.

26 ноября
Мария Азарова

Международный коллектив ученых спрогнозировал наши ежедневные потребности в воде в зависимости от антропометрических, экономических и экологических факторов.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

1 ноября
Анна Новиковская

Когда мы представляем взаимодействие неандертальцев с нашими предками, первобытными людьми, то обычно думаем об агрессивных стычках и конкуренции на охоте. Однако теперь ученые выяснили, что два вида людей взаимодействовали на протяжении как минимум 200 тысяч лет — это слишком долгий срок для активных военных действий, но достаточный для постепенного «растворения» одного вида в другом.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

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
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: