[ ИМКЭС СО РАН
Институт мониторинга климатических и экологических систем
Сибирское отделение
Российской академии наук
г. Томск, пр. Академический, 10/3, ИМКЭС СО РАН
e-mail: [email protected], т. (3822) 492249, ф. (3822) 491950
Ультразвуковая автоматизированная
метеорологическая станция АМК-03 и ее
возможности для локального краткосрочного метеорологического прогноза Тихомиров Александр Алексеевич – зам. дир. по НР, проф., д.т.н.
Богушевич Александр Яковлевич – снс, к.ф.-м.н.
Корольков Владимир Александрович – снс, к.т.н.
01.04.10 Семинар в Новосибирске 1 Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Содержание доклада 2. Назначение УАМС АМК- 3. Основные измеряемые метеорологические величины 4. Принцип действия акустического термоанемометра 5. Основные составные части метеостанции АМК- 6. Переносной вариант метеостанции АМК-03П 7. Бортовые варианты БМК 8. Экспедиционный вариант «Эксметео-01»9. Программное обеспечение 10. Примеры использования программного обеспечения 11. Прототип региональной системы краткосрочного прогноза погоды 01.04.10 Семинар в Новосибирске Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
1. Назначение УАМС АМК-03:• автоматическое измерение и регистрация значений основных метеорологических величин (с задаваемым периодом усреднения): скорость и направление горизонтального ветра, скорость вертикального ветра, температура и относительная влажность атмосферного воздуха, давление;
• вычисление ряда стандартных статистических характеристик метеовеличин (среднеквадратические отклонения за период усреднения, коэффициенты асимметрии, эксцесса, корреляции и др.) • вычисление ряда турбулентных характеристик полей метеовеличин;
• накопление измеренных и рассчитанных значений метеовеличин в базе данных;
• представление информации из базы данных в виде графиков изменения во времени, розы ветров за любой интервал времени, построение гистограммы вероятностного распределения значений любого параметра, сохраняемого в базе данных за любой интервал времени;
• оперативный краткосрочный (до 6 часов) локальный прогноз развития метеоситуации в реальном масштабе времени в режиме скользящей точки отсчета.
Комплексы автоматизированные измерительные “Автономная метеорологическая станция АМК-03” АМЯ2.702.089 ТУ зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под № 36115-07 (сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.28.007.A № 29530).
Патент РФ на изобретение № 01.04.10 Семинар в Новосибирске Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
2. Основные измеряемые метеорологические величины Диапазон Измеряемая величина Погрешность измерения ± 0,3 °C, при Т+30 °C минус 50…плюс Температура воздуха (T), град С ± 0,5 °C, при Т > +30 °C ± (0,1 + 0,02 V) 0,1… Скорость горизонтального ветра (V), м/с ± 4 ° 0… Направление горизонтального ветра, град ± (0,1 + 0,02 W) –15…+ Скорость вертикального ветра (W), м/с ± 2,5 % при Т>0 °C;10… Относительная влажность воздуха, % ± 5 % при Т0 °C ± 1,0 693… Атмосферное давление, гПа Время усреднения измеряемых значений устанавливается оператором:
• при использовании компьютера – от 1 до 20 мин с дискретностью 1 минута;
• при использовании пульта управления (без компьютера) – 1; 2; 4 или 10 мин.
Предельная разрешающая способность:
• при измерении температуры – не хуже 0,01 град;
• при измерении скорости ветра – не хуже 0,01 м/с.
Найдены технические решения, обеспечивающие расширение температурного диапазона до минус 70 °С.
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03… 3. Принцип действия акустического термоанемометра
ИМКЭС СО РАН
Двухканальная система измерения 4-х канальная система измерения v зв = 20,067 ( 1 + 0,3192 e P )Tk, (1) e – давление водяного пара, гПа;P – атмосферное давление, гПа;
Тk – температура воздуха °К.
L – расстояние между излучателем (Изл.) и приемником (Пр.);
t – время распространения звука от Изл. до Пр. Такая система позволяет измерять 3-х vx – компонента скорости ветра по оси 0х; компонентный вектор скорости ветра с t1 = L / (vзв + vx) – время распространения звукового импульса вдоль оси 0х; Температура определяется из (1) Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
ДОПОЛНИТЕЛЬНО:
Ультразвуковой Габариты: 520 230 мм;Масса: 1,9 кг Датчики ДСВ-15 и ДСВ-16 снабжены акселерометрами, измеряющими углы их отклонения от вертикали при наклоне метеомачты (до 20°), учитываемые при измерении направления ветра.
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03… 5. Переносной вариант метеостанции АМК-03П
ИМКЭС СО РАН
Метеостанция в развернутом положении Транспортирование Пульт ВиИ Укладка метеостанции в ранце Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
БМК-01 с телескопической Устанавливается на корпусе транспортного средства (управление развертыванием мачты с пульта управления Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
А.А. Тихомиров, А.Я. Богушевич, В.А. Корольков и др. // Вестник Академии военных наук, 2008, № 3, с. 144-148.Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Модификация переносного варианта АМК-03П для регистрации и накопления результатов измерений мгновенных значений метеорологических величин В этом варианте результаты измерений мгновенных значений метеорологических величин записываются в логгере БСИ-11 на флэш-карточку, объемом не менее Мбайт. Частота измерений в ДСВ-15 равна 40 Гц. GPS-навигатор используется для автоматической привязки регистрируемых данных к времени и географическим координатам точки измерений.Блок-схема метеостанции «Эксметео-01» Логгер БСИ-11 со GPS-навигатор Входящие в комплект «Эксметео-01» термометры ДТР-15 используются как датчики температуры почвы и/или воды. Кроме того, имеется возможность подключения дополнительных 6-ти аналоговых датчиков для регистрации их показаний в логгере.
Дополнительная аккумуляторная батарея обеспечивает режим непрерывной работы метеостанции в течение 96 часов.
А.А. Азбукин, А.Я. Богушевич, В.А. Корольков и др. // ПТЭ, 2008, № 3, с. 181-182.
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Базовое программное обеспечение “МЕТЕО 3.0” (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610297 от 03.12.2002);Дополнительные приложения: “МЕТЕО DB”; “METEO DP”; “МЕТЕО ПРОГНОЗ” ПО “METEO 3.0” считывает первичные данные АМК-03 через последовательный СОМ порт и непрерывно вычисляет из них значения метеорологических величин.
ПО “METEO DB” сохраняет измеренные значения метеовеличин в базе данных компьютера.
ПО “METEO DP” предназначено для поддержки выполнения научных исследований атмосферы на основе выходных данных АМК-03.
ПО “METEO ПРОГНОЗ” позволяет проводить оперативный краткосрочный (на 3-6 часов) прогноз развития метеоситуации в реальном масштабе времени в режиме «скользящей точки отсчета».
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Средние значения метеовеличин, вычисляемые с помощью ПО “METEO 3.0” А) для срока наблюдения (от 1 до 20 минут) характеристики воздуха *1) T - средняя температура воздуха, °С; *6) Ed – дефицит влажности, гПа;2) [T] - стандартное отклонение температуры, °С; *7) Td – температура точки росы, °С;
*3) P - атмосферное давление, мм.рт.ст. / гПа; 8) q – абсолютная влажность воздуха, г/м3;
*4) r – относительная влажность воздуха, %; 9) m – массовая концентрация влаги, o/oo *5) e – упругость (давление) водяного пара, гПа;
характеристики ветра *11) V – средняя скорость горизонтального ветра, м/с;
12) Vmin – минимальная скорость мгновенного горизонтального ветра, м/с;
*13) Vmax – максимальная скорость мгновенного горизонтального ветра, м/с;
14) [V] – стандартное отклонение скорости горизонтального ветра, м/с;
*15) D – среднее направление горизонтального ветра, градусы;
16) [D] – стандартное отклонение направления ветра, м/с;
17) w – средняя скорость вертикального ветра, м/с;
18) [w] – стандартное отклонение скорости вертикального ветра, м/с;
19) W – модуль среднего вектора скорости ветра, м/с;
20) – угол наклона к горизонту среднего вектора скорости ветра, градусы;
21) Vs – среднее значение южной компоненты скорости ветра, м/с;
22) Ve – среднее значение восточной компоненты скорости ветра, м/с. Б) для интервала между сроками наблюдения *23) Tmin – минимальная средняя температура воздуха, °С;
*24) Tmax – максимальная средняя температура воздуха, °С;
25) Vmin – минимальная скорость мгновенного горизонтального ветра, м/с;
*26) Vmax – максимальная скорость мгновенного горизонтального ветра, м/с.
Примечания:
1. Символом (*) здесь отмечены стандартные параметры, требуемые к измерению Росгидрометом.
2. Скорость мгновенного ветра скорость ветра с текущим 2-х секундным усреднением.
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Программа “МЕТЕО 3.0” позволяет вычислять следующие параметры турбулентности:Ev = (u2 + v2 + w2)/2 - полная энергия турбулентных движений (u2, v2, w2 - дисперсии турбулентных пульсаций трех компонент скорости ветра u/, v/, w/);
Iv = Ev /Vm2 - относительная интенсивность флуктуаций скорости ветра (Vm – модуль среднего вектора скорости ветра);
ET = T2/ 2 - энергия температурных флуктуаций (T2 - дисперсия турбулентных пульсаций температуры T/);
- момент потока импульса (касательного напряжения) (< > - символ статистического усреднения);
- момент потока тепла (потока температуры);
= - - вертикальный поток импульса ( - плотность воздуха);
H = Cp - вертикальный поток тепла (Cp - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении);
v* = (- < u/ ·w />)1/2 - скорость трения (масштаб ветра);
T* = - /v* - масштаб температуры;
• L* = (v*)2/( g T*) - масштаб Монина-Обухова ( = 0,4 и g = 9,81 м/с2);
Cd = (v*/)2 - коэффициент сопротивления потоку;
CT2 = /(t)2/3 - структурная постоянная температурных флуктуаций (t - временной интервал между измерениями мгновенных метеовеличин);
CV2 = /(t)-2/3 - структурная постоянная ветровых флуктуаций;
Cna2 = CT2/(2)2+Cv2/()2 - структурная постоянная флуктуаций акустического показателя преломления (Tk – температура воздуха в Кельвинах; c - скорость звука);
Cno2 = CT2{8·10-5 /2}2 - структурная постоянная флуктуаций оптического показателя преломления (P атмосферное давление в гПа).
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Окно отображения мгновенных значений метеорологических величин Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
с 1 по 15 сентября 2007 г., г.Томск – характеристики температуры Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Парциальное давление водяного пара, гПа Температура точки росы, °С Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Скорость горизонтального ветра, Полная энергия Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Главное окно программы после загрузки данных из файла Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Вычисление и графическое отображение статистической гистограммы для турбулентных флуктуаций скорости горизонтального ветра Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Вычисление и графическое отображение взаимной корреляционной функции для турбулентных флуктуаций температуры и скорости вертикального ветра Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…ИМКЭС СО РАН
Модельное восстановление высотных профилей скорости ветра и температуры из данных АМК-03 в одной точке на основе универсальных Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03… 9. Примеры использования ПО “METEO ПРОГНОЗ”ИМКЭС СО РАН
Сравнение измеренных и прогнозируемых значений метеовеличин за 5,5 суток Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03… 9. Примеры использования ПО “METEO ПРОГНОЗ”ИМКЭС СО РАН
Разработан и апробирован метод локального сверхкраткосрочного (на срок до часов вперед) прогноза значений основных метеорологических величин (температуры воздуха, атмосферного давления, абсолютной влажности воздуха, зональной и меридиональной составляющих скорости ветра) из результатов регулярных измерений ультразвуковой метеостанции АМК-03 в предыдущие сроки.Метод основан на полиномиальной математической модели их временной эволюции и на применении алгоритмов Калмановской фильтрации к изменяющимся во времени коэффициентам этой модели.
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
ИМКЭС СО РАН
Схема размещения сети локальных УАМС АМК- Инструментальная основа системы: Методическая основа системы:-сеть локальных УАМС АМК-03; -метод локального прогнозирования на основе -сервер для сбора информации с сети; Калмановской фильтрации на срок до 6 часов вперед;
-система связи между УАМС и -информационно-вычислительные веб-системы;
сервером.
Ультразвуковая автоматизированная метеорологическая станция АМК-03…
«