РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ОБРАЗЦА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ЗОНДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЯРНЫХ МЕЗОЦИКЛОНОВ
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ОБРАЗЦА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ЗОНДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЯРНЫХ МЕЗОЦИКЛОНОВ
Аннотация
На фоне увеличения государственного и частного интереса к добыче углеводородов в Арктической зоне России в статье проанализирована возможность внедрения перспективного метеорологического зонда для исследования опасного явления погоды. Дана краткая характеристика полярным мезоциклонам и их влиянию на безопасность на транспорте. Рассматриваются вопросы разработки и применения перспективного образца метеорологического зонда для измерения параметров ветра и температуры, давления, влажности по профилю полярного мезоциклона. Проанализирован необходимый набор комплектующих для выполнения измерений. Рассмотрена возможность доставки радиозонда для вертикального зондирования атмосферы воздушными судами из авиационного парка Российской Федерации. Определены основные направления дальнейшего совершенствования устройства, проанализированы существующие возможности по доставки зонда в границы исследуемого явления. Проанализирована пригодность внедрения формата данных сбрасываемого радиозонда в численные модели прогнозирования погоды.
1. Введение
Арктическая зона РФ (АЗРФ) является стратегически важной территорией, имеющей глобальное значение для нашей страны. Данный постулат отражен в различных нормативно-правовых документах и планах развития от локального масштаба до самого высокого уровня. 7 июня 2024 Президент России, выступая в рамках Петербургского международного экономического форума («ПМЭФ 2024») страны, подтвердил, что более 15% национального ВВП приносят предприятия, расположенные в Арктике .
На фоне продолжающегося экстенсивного экономического роста и параллельного развития наземной инфраструктуры стоит отметить, что хозяйственная деятельность человека в Арктике сопряжена с трудностями, связанными, прежде всего, c тяжелыми климатическими условиями региона. Данное утверждение находит еще больший отклик в связи с тем, что в инфраструктурном отношении авиационное и судоходное сообщение играют ключевую роль ввиду труднодоступности региона, а обеспечение безопасности навигации по морю и воздуху – непростая задача даже для опытных специалистов.
Рассматривая «метеорологический фактор» как наиболее непредсказуемый элемент, влияющий на работу авиационно-транспортной системы, стоит обратить внимание на существование полярных мезоциклонов (ПМЦ), серьезно влияющих в силу ряда причин на безопасность полетов ВС в регионе. В данной работе проведен анализ влияния данного явления погоды на безопасность полетов ВС, предложены концептуальные технические решения по созданию и использованию системы измерения и регистрации метеорологических величин для получения уникального массива научной информации, который может быть использована в целях повышения безопасности полетов и увеличению точности прогнозов.
Согласно термину, принятому Европейской рабочей группой по полярным мезоциклонам ПМЦ – это циклонические вихри альфа и бета мезомасштаба, возникающие в области между полюсом и полярным фронтом. На практике, под ПМЦ понимается интенсивный морской циклон в приполярной области с масштабом до 1000 км и скоростями ветра 15 м/с и более.
Акватории Северо-Европейских бассейнов являются областью наиболее активного мезомасштабного циклогенеза в северном полушарии. По статистике, ПМЦ возникает и на территориях Арктических морей, расположенных к востоку от Новой Земли. (Карское море, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море). На обозначенной территории располагается большое количество аэродромов, посадочных площадок, вертодромов, грузовых терминалов и вахтовых поселков, где осуществляется активная хозяйственная деятельность. Наиболее крупные аэродромы и посадочные площадки, находящиеся в обозначенном регионе отображены на рис. 1 .
Рисунок 1 - Наиболее крупные северные аэродромы и посадочные площадки РФ
Рисунок 2 - Изображение в инфракрасном диапазоне полярного циклона в Норвежском море
Известны случаи, когда при ясной и холодной погоде происходило быстрое натекание плотной облачности по ходу движения ПМЦ.
2. Обильные осадки.
В зимнее время наблюдается интенсивные снегопады, что, в частности, и приводит к экстремальному ухудшению видимости. Осадки облачной системы простираются в среднем в диапазоне высот до 3,5 км и на 200-400 км по горизонтали, занимая значительные морские и прибрежные площади.
3. Штормовые скорости ветра.
В результате анализа характеристик погоды по данным 203 случаев образования ПМЦ зарегистрированы значения до 35 м/с.
4. Обледенение.
2. Методы и методы исследования
По результатам практических визуальных и инструментальных наблюдений с научно-исследовательских судов (НИС) обледенение под воздействием явления незначительное у водной поверхности. Однако это не исключает вероятное умеренное и сильное обледенение в более высоких широтах, где температура воды ниже и в диапазоне высот действия ПМЦ, что критически опасно для аэронавигации в пределах активности явления.
Ключевой и наиболее опасный фактор заключается в сложностях отслеживания ПМЦ на ранних стадиях формирования существующими техническими средствами наблюдения и зондирования . Ограниченность инструментов исследования зачастую обусловлена:
1. Коротким сроком существования/жизни метеорологического явления по сравнению с крупномасштабными циклонами. Средняя продолжительность существования ПМЦ равняется 13-15 часов.
2. Сложностью обнаружения. Облачные мезовихри сравнительно небольшого диаметра (до 100 км) не отображаются в поле давления. В ряде ситуаций это характерно и для интенсивных ПМЦ. Данная ситуация типична для районов с недостаточным покрытием сети станций метеорологического слежения. В АЗРФ плотность станций в 10 раз меньше, чем в центральных районах РФ (рис. 3).
Рисунок 3 - Действующие метеорологические станции по данным ЕСИМО
Примечание: источник [6]
С целью регистрации параметров полярных мезоциклонов авторами данной статьи предлагается внедрение и последующее использование комплексной системы зондирования атмосферы с помощью сбрасываемых невозвратных радиозондов (dropsondes) . В качестве средств доставки СРЗ предлагается использование пилотируемых отечественных ВС на базе таких типов ВС как Ан-24, Ан-26, которые активно использовались в качестве ВРП, в том числе в Арктике . Также в перспективе могут быть рассмотрены для использования беспилотные авиационные системы доставки и легкие ВС (до 5700 кг).
Принцип измерения метеорологических величин является контактным. Измерения метеорологических величин при радиозондировании относится к классу метеорологических. Специфика используемого метода позволяет производить измерения не в одной точке, как, к примеру, при наземных метеорологических измерениях, а во время движения измерительного прибора по вертикали.
Обобщенно, принцип использования заключается в следующем: ВС, с находящейся на борту оборудованием для приема сигналов телеметрии и научным составом вылетает в зону действия полярного мезоциклона. Заняв рабочий для проведения эксперимента эшелон полета, специалист, отвечающий за проведение исследования инициирует выпуск СРЗ с определенной частотой. После отделения с борта ВС радиозонд спускается с постоянной вертикальной скоростью при помощи парашюта, передавая на борт информацию о температуре, давлении, влажности, а так же скорости и направлении ветра внутри опасного явления. Концептуально, данная бортовая система вертикального зондирования выглядит следующим образом (рис. 4).
Рисунок 4 - Концептуальная схема функционирования бортовой составляющей системы зондирования атмосферы
3. Результаты и обсуждения
В результате анализа технических возможностей было принято решение сборки и проведения лабораторных исследований первого прототипа СРЗ. Для метеорологического зонда были отобраны следующие компоненты – платформа «Arduino Mega 2560», датчик температуры и влажности «HD1080», датчик давления, влажности и температуры «SI7021», а также было принято решение о добавлении датчика контроля загрязнения воздуха на 1 и 5 микрон «PPD42NJ». Весь состав отобранных зарубежных комплектующих прибора полностью отвечает целям исследования и позволяет выполнять измерения температуры, давления и влажности (основные параметры) с дискретностью в 1 секунду. Кроме того, метеозонд состоит из считывателя SD карт и аккумулятора на 5V. Общий вид устройства представлен на рис. 5.
Рисунок 5 - Общий вид СРЗ в разобранном виде
Для программирования устройства была выбрана Arduino IDE – кросс-платформенное приложение для написания и загрузки программ на Arduino-совместимые платы. Выбор платы и среды программирования был обусловлен относительной простотой системы, и удобным интерфейсом для разработки простых устройств.
Запись параметров давления, температуры, влажности и загрязнения воздуха осуществляется непрерывно в CSV формате. По результатам полученных данных указанного формата могут быть оперативно сформированы соответствующие диаграммы в программе Excel.
Рисунок 6 - Структурная схема устройства
4. Заключение
Использование данной технологии позволит исследовать поля метеорологических параметров ПМЦ по вертикали. Появится реальная возможность изучить и обработать данные для полярных циклонов с коротким сроком жизни. Информация, которая может быть получена данным методом позволит уточнить и повысить качество локальных (местных) прогнозов погоды. Наибольший приоритет целесообразно отводить тем районам, где расположены прибрежные посадочные площадки и крупные северные аэродромы. Информация, полученная в результате проведения исследований, сможет быть адаптирована в моделях ЧПП. В процессе разработки собственной системы бортового зондирования с помощью СРЗ может быть использован значительный накопленный опыт эксплуатации подобных систем зарубежных коллег.