Системы сбора гидрометеорологических данных

Системы сбора гидрометеорологических данных можно разделить на оперативные, неоперативные и системы сбора данных специальных экспериментов. Всемирная служба погоды (ВСП) является беспрецедентной по объему сбора гидрометеорологических данных.

Задача ВСП заключается в расширении международного сотрудничества в области сбора и обработки гидрометеорологической информации в пределах всего земного шара, включая данные со спутников. Деятельность ВСП направлена также на расширение международного обмена данными и улучшение на этой основе методов гидрометеорологических прогнозов, на развитие работ по искусственному воздействию на погоду.

Всемирная служба погоды имеет глобальный характер, охватывает все страны и континенты, моря и океаны, а также космическое пространство. Она представляет собой согласованную систему пунктов и средств наблюдений, а также систему взаимосвязанных центров обработки. Центры обработки в структуре ВСП по своим функциям делятся на мировые, региональные и территориальные. Рассмотрим элементы ВСП.

2.1. Глобальная система наблюдений (ГСН).Основу наземного компонента ГСН создают около 9900 синоптических станций на суше и около 6700 морских станций, которые через каждые 3 ч осуществляют наблюдения приземных метеорологических характеристик и явлений погоды. Свыше 1000 дрейфующих буев и 300 заякоренных буев проводят метеорологические наблюдения в приводном слое атмосферы над океанами. Около 1000 аэрологических станций дают вертикальные профили геопотенциала, температуры, влажности воздуха, скорости и направления ветра. Несколько сотен пассажирских самолетов начали передавать в оперативном режиме метеорологическую информацию по маршрутам своего следования. Пять геостационарных и пять полярно-орбитальных спутников обеспечивают метеорологические наблюдения за состоянием глобальной атмосферы. Проходят испытания и внедряются новые контактные виды измерительных комплексов, такие как дрейфующие аэростаты, снаряженные сбрасываемыми зондами, радиолокационные измерители профиля ветра, беспилотные самолеты-зонды, ракеты, запускаемые с заякоренных буев, а также новейшие космические технологии.

Основу наземной сети составляют синоптические станции, подразделяемые на наземные и морские, автоматические и обслуживаемые персоналом. Синоптические станции проводят наблюдения за температурой и влажностью воздуха, температурой почвы (воды), атмосферным давлением, скоростью и направлением ветра, дальностью горизонтальной видимости, формой, количеством облаков и за высотой их нижней границы, видом, количеством и интенсивностью осадков, атмосферными явлениями. Наблюдения на синоптических станциях, входящих в международную сеть, проводятся синхронно в основные (00, 06, 12, 18 ч гринвичского среднего времени) и дополнительные (03, 09, 15, 21 ч) синоптические сроки. Погрешность измерения температуры находится в пределах 0,1—0,3 °С. Давление измеряется при помощи барометра с погрешностью до 0,1-0,2 гПа Средние скорость и направление ветра в срок наблюдения измеряются на высоте 10м с точностью 0,5 м/с и 5°.

Круглосуточные восьмисрочные метеорологические наблюдения на территории РФ, непрерывные наблюдения за опасными и стихийными гидрометеорологическими явлениями и передачу информации в Гидрометцентр в настоящее время осуществляют синоптические станции.

Сводки с результатами синоптических наблюдений передают в международных кодах SYNOP (для станций на суше), SHIP (для судовых морских станций) и BUOY (для станций на дрейфующих и заякоренных буях).

Аэрологические станциипроводят вертикальное зондирование атмосферы с помощью радиозондов, позволяющих получать систематические массовые данные о давлении, температуре, влажности, скорости и направлении ветра до высот 30 км. Радиозондирование атмосферы в силу меньшей временной изменчивости метеорологических величин в свободной атмосфере проводят реже. Основными сроками наблюдений на сети аэрологических станций являются 00 и 12 ч гринвичского среднего времени, а дополнительными - 06 и 18 ч.

Положение радиозонда фиксируется метеорологическими радиолокаторами и радиотеодолитами, а в последнее время используется глобальная международная система определения координат GPS. По траектории зонда вычисляются скорость и направление ветра на различных высотах. Для этого используются значения геопотенциальных высот, вычисленных по уравнению гидростатики, измеренный азимут и углы подъема шара.

Прямым способом наблюдения за ветром в атмосфере является также прослеживание свободного полета шара при помощи оптических (шар-пилот) или электронных (радиоветер) средств. Данные аэрологических наблюдений приводятся в кодах TEMP и PILOT. Измерения предписываются к стандартным изобарическим поверхностям от 1000 до 10 гПа и особым точкам, в которых наблюдаются значительные изменения метеорологических параметров с высотой.

2.2. Глобальная система телесвязи (ГСТ).Состоит из устройств и средств, необходимых для быстрого сбора и распределения требуемых данных наблюдений и обработанной информации.

2.3. Глобальная система обработки данных (ГСОД).Состоит из метеорологических центров, оснащенных средствами обработки данных для оперативного использования, хранения и поиска данных для оперативного использования.

 
 

Глобальная система обработки данных базируется на трех мировых метеорологических центрах (Вашингтон, Москва, Мельбурн), на 23 региональных метеорологических центрах и на национальных метеорологических центрах (рис. ).

 

 

Рис.1.Диаграмма центров обработки данных главной магистральной цепи телесвязи:

1 - мировые метеорологические центры; 2 - региональные центры на главной магистральной цепи и ее ответвлениях; 3 - остальные региональные центры, изображенные в своих региональных ассоциациях; 4 – национальные метеорологические центры (число символов отвечает числу соответствующих центров обработки)

 

Всего на территории СНГ работают четыре региональных гидрометеорологических центра - в Москве, Новосибирске, Ташкенте и Хабаровске. Московский центр одновременно выполняет роль и мирового центра гидрометеорологических данных в системе, созданной ВМО.

Важнейшим звеном системы автоматизированной обработки данных являются региональные гидрометеорологические, центры (РГМЦ), каждый из них ответствен за сбор и обработку всей гидрометеорологической информации по определенной территории (региону).

Наряду с информацией своего района (региона) каждый региональный центр собирает данные по некоторым сопредельным территориям, а также такую глобальную информацию, как спутниковая. Региональные центры осуществляют взаимный обмен некоторыми видами данных.

Территориальные центры осуществляют основную часть первичной обработки наблюдений с последующей передачей в региональные центры лишь некоторых обобщенных характеристик. Они руководят работой зональных гидрометеорологических обсерваторий, которые предназначены для проведения расширенного комплекса метеорологических наблюдений. Зональные обсерватории непосредственно участвуют в установке и внедрении технических средств получения и пе­редачи информации на сети станций, обеспечивают их бесперебойную работу.

Если до использования ЭВМ первичная гидрометеорологическая информация обрабатывалась в основном непосредственно на станциях и в обсерваториях, то в настоящее время все большая часть операций по обработке наблюдений сосредоточивается в региональных и территориальных центрах, оснащенных мощными электронными вычислительными машинами.

На работников сети в новых условиях возлагаются обязанности по подготовке информации к обработке на ЭВМ, обеспечению ее кодирования и бесперебойной передаче в центры обработки. Работники сети, используя поступающую из региональных и территориальных центров обработанную гидрометеорологическую информацию в виде таблиц, получают возможность лучше удовлетворять запросы различных народнохозяйственных организаций.

Регламентами ВСП для центров каждого типа определены обязательные функции по сбору и передаче данных, их обработке и распространению обработанных данных.

Неоперативный сбор данных осуществляется национальными центрами и по соглашению между государствами производится обмен накопленными комплектами данных. Не оперативно собираются данные, которые не передаются по глобальной системе телесвязи. Часть передаваемых по системе телесвязи данных по различным обстоятельствам не доходит до адресата, поэтому создается дополнительный поток данных (например, пересылка по почте) для полного укомплектования накапливаемых массивов данных. Таким образом, массив наполняется в среднем на 30 %.

Кроме того, существующие каналы связи и регламенты их функционирования не для всех собираемых данных обеспечивают необходимую точность и достоверность, которые нужны для подготовки справочников по гидрометеорологическому режиму или для оценки изменений климата, и в этом случае организуется неоперативный сбор требуемых данных.

Задачи исследований Земли подталкивают ученых к организации и проведению специальных международных исследовательских программ, одной из основных задач которых является получение и сбор максимально больших комплектов данных об изучаемых геофизических процессах. Напомним главные из программ:

• Первый международный полярный год (1882-1883);

• Второй международный полярный год (1932—1933);

• Международный геофизический год (1957-1958);

• Год Международного геофизического сотрудничества (1959);

• Международный год спокойного Солнца (1964-1965);

• Атлантический тропический эксперимент АТЭП-74;

• Первый глобальный эксперимент ПИТАП (1978-1979).

В настоящее время выполняются следующие программы и эксперименты:

1) Всемирная климатическая программа (WCP);

2) Эксперимент по изучению циркуляции вод Мирового океана (WOCE);

3) Эксперимент по изучению Тропического океана и глобальной атмосферы (TOGA);

4) Стратосферные процессы и их роль в формировании климата (SPARC);

5) Программа по изучению климатической изменчивости и предсказуемости (CLIVAR);

6) Эксперимент по изучению энергетического и гидрологических циклов в глобальном масштабе (GEWEX).

Это далеко не полный перечень всех программ и экспериментов по изучениюатмосферы и гидросферы.

В связи с трудностями получения данных наблюдений, которые обнаружились во время проведения Второго международного полярного года, Специальный комитет по Международному году предпринял меры по созданию рациональной схемы получения данных. Ключевым решением этого комитета было учреждение мировых метеорологических центров данных.

В США осуществляется программа разработки национальной автоматизированной системы сбора и обработки метеорологической информации для Национальной метеорологической службы. Основными элементами этой системы являются микрокомпьютеры, линии связи среднего быстродействия между компьютерами NDC (National Digital Circuit) и техника вывода информации на экраны дисплеев. В этой системе, называемой AFOS (Automation Field Operations and Services), имеются замкнутые в кольцо дуплексные линии связи NDC, соединяющие 50 узлов пунктов бюро прогнозов - Weather Service Forecast Offices (WSFO), национальные центры: Национальный метео­рологический центр, Национальный центр по прогнозированию ураганов, Национальный центр штормовых предупреждений (NMC, NHC, NSSFES) и Национальный климатический центр (NCC) в Ашвиле.

Системы наблюдений можно квалифицировать по типам платформ.

1. Наземная система наблюдений основывается на сети обсерваторий, станций и постов, расположенных на суше.

2. Надводная (морская, океаническая) система наблюдений обеспечивает измерения с кораблей, буев и других средств.

3. Подводная система включает батискафы и батисферы.

4. Воздушная (авиационная) система наблюдений осуществляется с самолетов, вертолетов, аэростатов, баллонов постоянного уровня, дрейфующих в атмосфере.

5. Космическая система наблюдений состоит из средств определения параметров окружающей среды, установленных на спутниках Земли, ракетах. Различают геостационарные спутники и спутники c приполярной орбитой. Геостационарные спутники запускают на орбиту, лежащую в плоскости экватора, и скорость вращения спутника синхронизируется со скоростью вращения Земли. Таким образом, геостационарный спутник может получать информацию с одной и той же территории Земли. Спутники с приполярной орбитой за сутки получают информацию со всех участков Земли дважды.

На основе современных космических технологий создана измерительная аппаратура, способная проводить измерения радиации с необходимой точностью и пространственным разрешением. Орбитальные характеристики метеорологических спутников Земли определяются требованиями географического охвата и горизонтального разрешения, а также желаемой непрерывностью и внутренней согласованностью данных. Геосинхронные орбиты являются наилучшими тогда, когда требуется высокое горизонтальное разрешение над большими секторами в тропической зоне и умеренных широтах. Значительная удаленность от поверхности Земли метеорологического спутника, находящегося на геосинхронной орбите, создает трудности в выборе измерительных приборов, способных регистрировать уходящую радиацию ма­лой интенсивности.

Геостационарные спутники занимают фиксированное географическое положение над земной поверхностью. Они проводят наблюдения каждые 20-30 мин. Это позволяет непрерывно наблюдать за определенными секторами земной атмосферы и подстилающей поверхности. Один геостационарный спутник обычно способен контролировать около 25 % поверхности Земли. Пространственное разрешение оперативных спутников варьирует от 1-5 км в видимом диапазоне до 5-8 км в инфракрасном диапазоне. Однако абсолютная точность спутниковых данных ниже, чем у большинства обычных наблюдений.

Спутниковые данные, распространяемые в коде SATOB, распределяют с помощью пяти геостационарных спутников:

1). GOES-W (США) в точке 135° з. д.;

2). GOES-E (США) в точке 75° з. д.;

3). Meteosat-7 (EBMETCAT) в точке 0°;

4). Meteosat-5 (EBMETCAT) в точке 63° в. д.;

5). GMS (Япония) в точке 140° в. д.

Благодаря короткому интервалу времени между последовательными снимками геостационарные спутники дают ценную информацию для мониторинга и прогноза неблагоприятных и опасных гидрометеорологических явлений.

Наземная система наблюдений включает обсерватории, станции и посты наблюдений за состоянием природной среды. Как правило, они ведут наблюдения по согласованной методике с помощью аттестованных технических средств. Наиболее развитой системой наземных наблюдений является система гидрометеорологических наблюдений, координируемая ВМО. Эта система включает десятки тысяч обсерваторий, станций и постов, которые осуществляют наблюдения за состоянием воздушной и водной оболочек Земли, а также за температурным и влажностным режимами почв.

Подавляющий объем оперативной информации поставляется космической системой наблюдений. Однако эта система должна использоваться в сочетании с наземными наблюдениями.

Для развития наземного изучения природной среды применяют стационарные и экспедиционные исследования, в результате которых разрабатываются новые методики, приборы и оборудование для наземных измерений.

Стационарные исследования проводятся в заповедниках, стационарах и полигонах различных ведомств. Их преимущества - полнота и непрерывный характер, а недостаток - локальность и выборочность. Экспедиционные исследования существенно расширяют рамки стационарных изменений, дают дополнительную информацию.

По способу измерений физической величины можно выделить два класса: прямое измерение прибором, находящимся непосредственно в точке измерения, и дистанционное зондирование.

Выделяются системы с автоматической регистрацией данных и «ручными контактными» наблюдениями по приборам. При автоматической регистрации данные сразу попадают на технический носитель, благодаря чему значительно улучшаются условия для автоматизации всего процесса обработки данных.

Проводятся также визуальные наблюдения, данные которых могут содержать значительные субъективные ошибки.

Различают синхронные и асинхронные наблюдения. Синхронные наблюдения проводятся в заранее заданные моменты времени, что облегчает обработку полученных данных и их анализ. Сведения асинхронных наблюдений обычно интерполируют на моменты синхронных наблюдений для облегчения их анализа. Космическая система спутников с приполярной орбитой пригодна только для асинхронных наблюдений.

Ближайшие задачи развития систем наблюдений:

• расширение автоматизации как средство развития систем получения данных без привлечения дополнительных кадров;

• проектирование простых (понятных) систем получения данных и хорошее их документирование для облегчения использования исторических данных.