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 тропосферой и стратосферой. Разработка чрезвычайно важна для Арктики, где надежность данных об облаках низка, особенно в полярные ночи. 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. 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%. 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 является одноразовым устройством, основным требованием к нему является низкая стоимость.
Запуск радиозонда с оптическими датчиками в Центральной аэрологической обсерватории г. Долгопрудного. Слева направо: Александр Кочин, Владимир Фоменко, Федор Загуменнов.Анастасия Максименко
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 тропосферой и стратосферой. Простота использования и низкая стоимость нашего датчика являются решающими факторами для применения на метеорологической сети».
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.
Экспериментальный радиозонд перед запускомАлександр Кочин
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.