Опыт создания и применения автоматических метеорологических станций в полярных регионах

В последние годы все большее внимание уделяется задачам получения всеобъемлющей и достоверной гидрометеорологической информации, характеризующей погодные условия в российской Арктике и других полярных регионах. Это связано всё с большим значением их для мировой хозяйственной деятельности, включая обеспечение безопасности полётов авиации и судоходства, а также необходимостью использования максимального количества данных об основных метеорологических параметрах в общую прогностическую модель погоды на Земле. В наибольшей степени это относится к Арктике, где дополнительно имеет место разведка и добыча природных ресурсов, регулярная транспортная проводка судов Северным морским путем.

Материалы и методы

Арктика является труднодоступным, малонаселенным районом с неразвитой инфраструктурой и мало освещенным, с точки зрения гидрометеорологической инфор- мации, регионом [1].

Решение данной проблемы в организационном плане может быть достигнуто за счет развития действующей сети Росгидромета в арктической зоне, а в технологическом -путем модернизации уже действующих метеорологических станций [2], а также разработки и размещения в труднодоступных местах автоматических метеорологических станций (АМС) и дрейфующих буёв. Такие станции должны быть пригодны для функционирования в труднодоступных удаленных районах Арктики от независимых источников энергии. Это даст возможность круглогодично и круглосуточно собирать и передавать необходимую метеорологическую информацию в центры сбора данных с помощью систем спутниковой радиосвязи. В этом направлении большую работу проделало Научно-производственное объединение (НПО) «Аквастандарт». Специалисты НПО в качестве основы для создания АМС для полярных регионов выбрали оборудование MAWS110 финской компании «Vaisala Oyj». В результате работ, выполненных в ООО «НПО Аквастандарт», была разработана метеостанция с питанием от аккумуляторных батарей и спутниковым каналом связи в основном с использованием импортных комплектующих [3-4].

Данная станция изначально была предназначена для выполнения автоматических измерений скорости и направления ветра, атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, температуры подстилающей поверхности с запоминанием и передачей полученных данных по спутниковому каналу связи. Измерения на станции и передача осуществлялись в основные синоптические сроки, в моменты времени, соответствующие действующему регламенту наблюдений конкретного метеорологического параметра [5]. Метрологические характеристики такой станции приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Метрологические характеристики АМС на базе MAWS110

Наименование измеряемого параметра	Диапазон измерений	Пределы допускаемой погрешности при Р=0,95
Температура воздуха, °С	-50 - +60	± 0,2
Относительная влажность воздуха, %	0 - 100	± 3
Скорость ветра, W, м/с	0 - 75	± (0,5+0,05 W)
Направление ветра, град	0 - 360	± 5
Атмосферное давление, гПа	650 — 1100	±0,5

Конструкция АМС на базе MAWS110 включала в себя следующее оборудование:

• -    центральный процессор QML 201 с блоком памяти;

• -    комбинированный датчик WM30 скорости и направления ветра анемометриче-ски-флюгерного принципа действия;

• -    кремниевый емкостной датчик атмосферного давления PMT-16A;

• -    датчик температуры и влажности воздуха HMP45D, выполненный в едином конструктиве, объединяющим собой первичные преобразователи температуры и влажности, которые представляют собой соответственно пленочные платиновый резистор типа Pt 100ES751 и емкостной варикап;

• -    модем спутниковой связи A3LA-D фирмы NAL;

• -    никель-кадмиевые батареи со специальным электролитом;

• -    солнечные батареи-2 штуки, каждая мощностью 25 Вт;

• -    метеорологическую мачту высотой 4 м.

Электропитание осуществлялось от никель-кадмиевого аккумулятора с подзарядкой от солнечных батарей. При этом, параметры солнечных батарей были подобраны таким образом, чтобы обеспечить надежную автономную работу станции в течение всего срока ее службы в пять лет. Для этого были применены наиболее экономичные в плане энергопотребления конструктивные решения, которые позволяли добиться того, чтобы разряд аккумуляторов в момент активной работы станции компенсировался их зарядкой от солнечных батарей в светлое время суток. Предполагалось, что во время полярной ночи продолжительностью до трех месяцев, когда невозможна подзарядка аккумуляторов, питающее напряжение не будет опускаться ниже 10,5 В. В результате, как показал многолетний опыт эксплуатации, даже при температуре воздуха ниже -45°С, обеспечивалась нормальная работоспособность станции, включая спутниковый передатчик.

Вся полученная измерительная и служебная техническая информация записывалась во внутреннюю энергонезависимую память и передавалась по спутниковому каналу связи системы Иридиум (Iridium) в виде SBD сообщений. Для реализации такой связи была использована активированная пара модем и SIM-карта с выбранным тарифным планом в сети Iridium. Прием переданных данных производился по Internet-почте и накапливался на электронном архиве, привязанного к модему в момент активации устройства. Доступ к архиву осуществляется по паролю.

Первый образец этой станции был установлен в 2007г. в Антарктиде на полевой базе «Молодежная», как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Автоматическая автономная метеостанция на базе MAWS110 в Антарктиде

Конструкция станции была выполнена таким образом, чтобы центральный процессор вместе с буферными аккумуляторами питания и системой защиты внешних линий, датчиком атмосферного давления и спутниковым модемом связи располагались внутри специального влагозащитного корпуса. Датчики ветра, температуры и влажности вместе со стандартной радиационной защитой DTR13 размещались на матче, соответственно на высотах 4 м и 2 м. Сама мачта была снабжена рядом оттяжек из стального троса и установлена на специальном основании, в виде стального листа. Аккумуляторные батареи питания располагались под этим листом и таким образом были укрыты от снежных заносов. Вся данная конструкция вместе с солнечными батареями жестко крепились на скальном грунте. При этом мачта была сориентирована по сторонам света, а батареи – в направление по максимальной освещенности. При вводе станции в эксплуатацию в ее показания с помощью переносного компьютера вводилась поправка начального атмосферного давления, учитывающая высоту места установки станции к уровню моря. Весогабаритные характеристики этой АМС были такими, чтобы она могла транспортироваться любыми видами транспорта, включая авиацию и тракторно-санный поезд.

Наиболее полный объём метеорологических данных, измеренных при помощи АМС на базе MAWS110 на полевой базе Молодежная, был получен в 2009 году. На основании этого был проведен анализ репрезентативности и достоверности полученной метеорологической информации по сравнению с результатами многолетних наблюдений, накопленных ранее в период 1957-1999 гг. (таблица 2). В рамках проведенного сравнения были получены показатели, незначительно отличающиеся от средних многолетних значений наблюдаемых параметров, что говорит о репрезентативности метеорологических данных, полученных на оборудовании MAWS110. Следовательно, можно с уверенностью предполагать, что ряды накопленной информации в дальнейшем не будут нарушены при использовании автоматического метода измерения.

Таблица 2.

Сравнение метеорологических данных по температуре воздуха

Месяц	Средняя месячная и годовая температура воздуха, приведенная к периоду 1957-1970гг., °С	Средняя месячная температура за период 1963-1999гг., °С	Средняя месячная температура по MAWS110 за 2009г., °С	Стандартное отклонение средней месячной температуры воздуха за 11 лет, °С	Стандартное отклонение средней месячной температуры воздуха за 11 лет, °С	Отклонение от средней месячной температуры по MAWS110 за 2009г.
1	-0,9	-0,7	-1,7	0,6	1,0	0,6
2	-3,4	-4,1	-3,8	1,0	0,9	0,4
3	-7,7	-8,3	-7,4	1,3	1,1	0,3
4	-10,7	-11,7	-14,2	1,2	1,6	3,5
5	-13,4	-14,6	-15,3	1,7	1,6	1,9
6	-16,7	-16,2	-11,9	1,2	1,7	4,8
7	-18,8	-17,5	-16,0	1,9	2,5	2,8
8	-18,6	-18,8	-19,8	2,5	2,3	1,2
9	-17,9	-17,8	-16,1	2,1	2,4	1,8
10	-13,7	-13,6	-13,5	1,3	1,3	0,2
11	-6,4	-6,8	-8,3	1,1	1,0	1,9
12	-1,4	-1,6	-1,1	0,8	1,0	0,3
За год	-10,8	-11,0	-11,6	1,4	1,5	1,6

В таблице 2 для определения репрезентативности метеорологических данных, полученных с автоматической метеостанции MAWS110 полевой базы Молодежная, использовались параметры:

• -    средней месячной и годовой температуры воздуха в °С, приведенные к периоду 1957-1970гг. [6],

• -    стандартное отклонение среднемесячной температуры воздуха в °С за 11 лет, охватывающее период работы первых лет метеонаблюдений станции Молодежная [7],

• -    среднемесячная температура воздуха в °С и среднее отклонение в °С за период 1963-1999гг. станции Молодежная [8].

В результате сравнений определено, что средняя температура воздуха за год, вычисленная по данным, полученным с помощью MAWS110, отличается от средней годовой температуры воздуха, определенной за период с 1963-1999гг. на 0,6 °С, а среднее отклонение за год отличается на 0,1 °С.

Таблица 3.

Сравнение метеорологических данных по атмосферному давлению и влажности воздуха

Месяц	Среднее месячное давление воздуха на уровне моря, приведенное к периоду 19571970 гг., гПа	Среднее месячное давление на уровне моря за период 1963 – 1999 гг., гПа	Среднее месячное давление на уровне моря по MAWS110 за 2009г., гПа	Средняя месячная и годовая относительная влажность воздуха, приведенная к периоду 1957-1970гг., %	Средняя месячная и годовая относительная влажность воздуха за перод с 1963 по 1999гг., %	Средняя месячная и годовая относительная влажность воздуха, по MAWS110 за 2009г., %
1	990,2	991,0	987,2	62	63,5	77
2	990,3	988,5	983,2	62	63,5	76
3	985,4	985,9	983,8	67	68,3	74
4	986,6	986,2	989,6	67	69,8	70
5	989,0	988,4	994,6	67	68,8	73
6	992,4	990,1	993,7	68	66,5	80
7	987,8	986,9	989,4	69	68,5	79
8	984,0	984,2	991,3	68	70,0	83
9	983,5	983,5	986,7	66	69,5	81
10	984,4	983,1	986,3	62	68,3	75

Месяц	Среднее месячное давление воздуха на уровне моря, приведенное к периоду 19571970 гг., гПа	Среднее месячное давление на уровне моря за период 1963 – 1999гг., гПа	Среднее месячное давление на уровне моря по MAWS110 за 2009г., гПа	Средняя месячная и годовая относительная влажность воздуха, приведенная к периоду 1957-1970гг., %	Средняя месячная и годовая относительная влажность воздуха за пе-род с 1963 по 1999гг., %	Средняя месячная и годовая относительная влажность воздуха, по MAWS110 за 2009г., %
11	986,4	986,4	993,1	62	35,3	73
12	989,2	989,6	988,6	63	64,0	70
За год	987,4	987,0	988,8	65,3	67,2	75,9

В таблице 3 для определения репрезентативности метеорологических данных, полученных с автоматической метеостанции MAWS110 полевой базы Молодежная, данные по среднему месячному атмосферному давлению, полученному со станции MAWS110, и данные по среднему месячному и среднему годовому давлению воздуха мбар, приведенные к периоду 1957-1970гг, относительная влажность воздуха % за 11 лет, охватывающие период работы первых лет метеорологических наблюдений станции Молодежная [6], а также среднее месячное и среднее годовое атмосферное давление воздуха гПа, средняя месячная и средняя годовая относительная влажность воздуха % за период 1963-1999гг. [7].

В результате сравнений определено, что среднее давление на уровне моря за год, определенное по метеорологическим данным, полученным с помощью MAWS110, отличается от среднего годового давления воздуха на уровне моря, определенного за период с 1963-1999гг. на 1,8 гПа, а средняя годовая относительная влажность воздуха отличается на 8,7 %.

На основе данных, получаемых от MAWS110, были сформированы таблицы по измеряемым метеорологическим данным (таблица 4), и построены графики по измеряемым параметрам ветра (рисунки 2, 3).

Метеоданные MAWS 110 полевой базы Молодежная за 2009 г.

Таблица 4.

	Температура воздуха °С			Относительная влажность %			Результирующий ветер
Месяц	Среднее	Макс.	Мин.	Среднее	Макс.	Мин.	Направление Град.	Скорость м/с	Устойчивость %
1	-1,7	2,4	-7,6	77	102	46	91	5,7	82
2	-3,8	1,6	-13,1	76	102	48	111	8,4	86
3	-7,4	-1,8	-18,2	74	100	45	115	10,8	89
4	-14,2	-3,5	-22,7	70	100	45	130	13,7	93
5	-15,3	-3,9	-23,8	73	100	41	129	14,5	92
6	-11,9	-1,3	-22,0	80	101	47	111	9,2	86
7	-16,0	-5,8	-27,7	79	104	47	114	9,0	85
8	-19,8	-7,1	-34,2	83	104	54	106	7,3	91
9	-16,1	-7,6	-28,6	81	104	50	121	10,3	87
10	-13,5	-2,2	-25,0	75	104	45	112	6,3	82
11	-8,3	-0,8	-18,8	73	104	50	111	7,3	86
12	-1,1	-4,3	-5,8	70	104	48	95	2,0	57
Год	-11,3	4,3	34,2	76,4	104,0	41,0	117	9,1	86
	Измеренное давление, гПа			Давление на уровне станции, гПа			Давление на уровне моря, гПа
Месяц	Среднее	Макс.	Мин.	Среднее	Макс.	Мин.	Среднее	Макс.	Мин.
1	981,0	993,2	962,5	981,2	993,5	962,8	987,2	999,5	968,6
2	977,0	994,8	949,5	977,3	995,1	949,8	383,2	1001,1	955,5
3	977,5	993,0	953,5	977,7	993,2	953,7	983,8	999,4	959,5

	Измеренное давление, гПа			Давление на уровне станции, гПа			Давление на уровне моря, гПа
Месяц	Среднее	Макс.	Мин.	Среднее	Макс.	Мин.	Среднее	Макс.	Мин.
4	983,1	998,3	969,9	983,4	998,6	970,2	989,6	1004,9	976,3
5	988,1	1021,5	964,5	988,3	1021,7	964,7	994,6	1028,2	970,7
6	987,2	1009,4	965,7	987,4	1009,6	966,0	993,7	1015,9	971,9
7	982,9	1007,3	953,2	983,2	1007,6	953,5	989,4	1014,0	959,4
8	984,6	1002,8	953,4	984,9	1003,0	953,6	991,3	1009,5	959,6
9	980,2	998,3	950,9	980,5	998,5	951,2	986,7	1005,0	957,1
10	979,8	992,3	958,6	980,1	992,5	958,9	986,3	998,8	964,8
11	986,8	999,5	963,1	987,0	999,7	963,3	993,1	1006,1	969,1
12	982,4	991,9	970,0	982,7	992,1	970,2	988,6	998,2	976,0
Год	982,4	1021,5	949,5	982,7	1021,7	949,8	988,8	1028,2	955,5

Рисунок 2. Повторяемость направления ветра по румбам (Р), % за 2009г. Полевая база Молодежная

Рисунок 3. Средняя скорость ветра (Vr) в румбе м/с. за 2009г.

Полевая база Молодежная

Впоследствии конструкция станции совершенствовалась. В ней стали применяться акустические датчики ветра WMT700, новые спутниковые модемы Iridium 9522В с пассивной антенной AD510, датчики температуры и влажности воздуха НМР155 с цифровым выходом и более мощные солнечные батареи, до 50 Вт каждая. В итоге к 2017г. в Антарктике было установлено и по сегодняшний день эксплуатируется 6 подобных автоматических метеорологических станций (Молодежная, Русская, Ленинградская, Дружная 4, Оазис Бангера, ВПП ст. Прогресс). С их помощью создана локальная сеть метеорологических наблюдений, обеспечивающая получение, накопление и передачу данных из Антарктики без непосредственного участия человека. Следует отметить, что данная локальная антарктическая сеть продолжает успешно функционировать по настоящее время.

Дополнительно в 2022 году в Антарктиде в районе горы Вечерняя была развёрнута уникальная автоматическая метеостанция со спутниковой связью, приспособленная к работе от автономных источников питания как переменного 220В, так и постоянного тока, соответственно дизеля-генератора и аккумулятора 12В с солнечными батареями. Данная станция была дополнена датчиками нижней границы облачности и видимости соответственно CL31 и FS11 (Vaisala)[7], без которых могла работать во время полярной ночи от одних только аккумуляторов.

Учитывая антарктический опыт, НПО «Аквастандарт» на той же технологической основе реализовал арктический проект автоматических метеостанций (АМС) РМ-2020. Функциональная схема АМС РМ-2020 приведена на рис. 4, а общий вид конструкции - на рис. 5. Основные технические и метрологические характеристики РМ-2020 аналогичны станциям, применяемым в Антарктике. Однако конструкция этих метеостанций уже была дополнена датчиками солнечной радиации и уровня снега, а мачты имели высоту 10 метров. Они представляли собой трубу с нижним основанием диаметром 120 см, с уменьшением его от основания к верху до 60 см. Основание мачты при установке ориентируется по сторонам света, а сама мачта для обслуживания имеет возможность наклоняться на шарнире на высоте 1.5 м от основания. На мачте располагаются кронштейны для крепления датчиков, влагопылезащитный контейнер процессорного блока и узлы крепления тросовых оттяжек, молниеотвод, при необходимости заградительный огонь. Комбинированный датчик ветра размещается на верхнем конце мачты, а температуры и влажности воздуха в радиационной защите - на высоте 2 м от основания мачты. Там же располагаются датчики солнечной радиации, высоты снежного покрова и датчик дождя. Процессорный блок крепится непосредственно на мачту, на высоту 1 м. Внутри располагаются все электронные узлы и элементы АМС, а также датчик атмосферного давления. На мачту также крепятся уже одна солнечная панель 75 Вт; антенна спутникового передатчика (для РМ-2020 Iridium) D и рядом располагается аккумулятор 220 А/ч, 14 В, NiCd.

Датчик температуры и влажности воздуха

Датчик высоты снежного покрова

Датчик суммарной солнечной радиации

Персональный компьютер

Комбинированный датчик ветра

Датчик давления

Рисунок 4. Функциональная схема метеорологической станции

Рисунок 5. Общий вид конструкции АМС РМ-2020

Эти АМС устанавливались на островах в российской Арктике и эксплуатировались в количестве до 8 штук в период в 2012-2020 гг.. Карта расстановки таких АМС приведена на рис.6, где места их установки отмечены звёздочками, а фото самой станции - на рис.7

Рисунок 6. Карта расстановки АМС РМ-2020 в Арктике

Работа АМС РМ-2020 осуществляется в автоматическом режиме, при котором датчики в основные синоптические сроки измеряют и передают полученные значения метеорологических параметров в процессорный блок, где производится их обработка, запоминание и формирование выходного сообщения для передачи его по спутниковой связи. Тогда на заранее запрограммированные адреса электронной почты по Интернет приходят электронные письма с вложенными файлами типа *.txt со значениями метеорологических параметров данной АМС. Установленное на компьютере специализированное программное обеспечение формирует архив, а также выводит сообщение на общую карту оценки метеорологических условий.

Многолетняя надежная работа, указанных технических средств подтвердила правильность принятых конструктивных решений, которые могут быть положены в основу создания сети автоматических гидрометеорологических станций автономного базирования для российской Арктики, включая её прибрежную и островную зону. Вместе с тем, в ходе выполнения работ по созданию такой сети в труднодоступных районах с неразвитой инфраструктурой необходимо решить следующие научно-технические задачи:

• -    выполнить замену основных конструктивных элементов и датчиков иностранного производства на отечественные с максимально возможным повышением уровня соб-

• И.В. Идрисов, А.В. Наумов, И.С. Ковчин

ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ В ПОЛЯРНЫХ РЕГИОНАХ ственной локализации производства и комплектующих;

• -    для реализации передачи данных наблюдений произвести замену зарубежной системы спутниковой связи «Iridium», используемой для передачи от АМС, на отечественную систему - «Гонец»;

• -    предусмотреть в конструкции антивандальное исполнение и защиту от белых медведей;

• - решить вопросы периодического технического обслуживания и метрологического обеспечения на местах эксплуатации.

Другим надежным источником получения метеорологической, а также гидрофизической (гидролого-акустической) информации в Арктике являются ледовые автономные автоматические дрейфующие буи. Ранее своё применение здесь нашли отечественные дрейфующие метеорологические станции (ДАРМС) c радиоканалом связи и зарубежные ледовые буи ARGOS со спутниковой связью [9]. В настоящее время одним из наиболее известных подобных буев, используемых и за рубежом, является отечественный буй «Марлин» компании «Навидалс-Юг» [10]. Однако учитывая расширение задач в Арктике, данное направление требует своего дальнейшего развития на основе новых технологических платформ с широким применением отечественных компонентов и систем связи [11]. При этом следует обратить отдельное внимание на развитие метрологического обеспечения, особенно применительно к необходимости достижения долговременной стабильности качества наблюдений.

Рисунок 7. АМС РМ-2020 в Арктике

Выводы

Можно констатировать, что к настоящему времени в техническом отношении сделано довольно много для эффективного информационного метеорологического обеспечения в Российской Арктике путём создания современной технологической базы, включающей в себя автоматические метеостанции и дрейфующие буи, приспособленные для установки и функционирования в труднодоступных районах Крайнего Севера и на льду СЛО соответственно. Они позволяют собирать и оперативно передавать в центры сбора данных необходимую метеорологическую и гидрофизическую информацию с помощью систем спутниковой радиосвязи. Однако работающие в настоящее время в Арктике АМС и буи в своих конструкциях используют много импортных компонентов, а по - принадлежности являются ведомственными. Они не дают информацию по всему арктическому региону, не поддерживаются действующими структурами Росгидромета и не подключены к его наблюдательной сети. Преодоление такого положения с учётом возросшей роли для нашей страны Северного морского пути и Арктики в целом настоятельно требует решений в этом направлении на правительственном уровне.