Предсказатели погоды: цифровые системы на службе синоптиков

Почти полтора столетия назад в нашей стране появился официальный прогноз погоды. Датой начала работы службы погоды в России принято считать 13 января 1872 года. В этот день в Главной геофизической обсерватории Санкт-Петербурга начался регулярный выпуск ежедневных бюллетеней погоды. За прошедшие годы развитие технологий сделало метеосводку более доступной, а сам прогноз намного точнее. Сегодня на помощь синоптикам приходит оборудование нового поколения – цифровые системы радиозондирования атмосферы. Такую инновационную систему под названием «Полюс» создало акционерное общество «Концерн Радиоэлектронные технологии» Госкорпорации Ростех. Скоро разработка концерна будет установлена на метеостанциях по всей стране. «Полюс» сможет рассказать не только о погоде, но и прогнозировать изменения климата в глобальном масштабе. Краткая история российской метеорологии Предсказывание погоды было очень важно для наших предков-земледельцев, деятельность и успехи которых напрямую зависели от состояния природы. Отсюда в нашей культуре сохранилось такое большое количество примет, связанных с погодой. С развитием мореплавания базовые метеорологические знания и умение анализировать погоду стали жизненно важными навыками. Несмотря на то, что первый в России ежедневный бюллетень с прогнозом погоды вышел 148 лет назад, начало регулярным научным исследованиям погодных изменений положил еще Петр I. Император не только учредил в 1724 году первую метеорологическую станцию, но и сам вел дневник наблюдений и лично привез из-за границы метеорологические приборы. Главная физическая обсерватория Уже в 1834 году в России сформировалась государственная система регулярных магнитных и метеорологических наблюдений, ставшая одной из первых в мире. В 1849 году в Петербурге была учреждена Главная физическая обсерватория, старейшее метеорологическое учреждение из работающих сегодня. К этому времени сеть по сбору информации об изменении погоды насчитывала уже около 50 станций. А в 1856 году для более быстрой передачи данных начали использовать телеграф. Во время вынужденного перерыва в начале XX века, когда многие европейские государства были больше заняты войнами, чем наукой, огромное количество станций прекратили свою работу. Однако уже к 1923-му году на территории СССР работала сеть из 673 станций. К началу Великой Отечественной войны число метеостанций было доведено до 3947. Радиозонд Молчанова – первый в атмосфере В 1930 году отечественные метеорологи сделали важный вклад в развитие науки о прогнозировании погоды – под Ленинградом впервые в мире был запущен радиозонд, способный собирать данные о погоде и передавать их в виде радиосигнала. Создателем зонда стал известный ученый-метеоролог Павел Молчанов. Его радиозонд достиг высоты в 7,8 км, измерил температуру воздуха и отправил первое сообщение для Бюро погоды Ленинграда. Это был прорыв в науке, ведь теперь метеорологи могли снимать показания в свободной атмосфере на значительной высоте. Конструкция «молчановского» зонда оказалась настолько удачной, что без существенных изменений они выпускались до 1958 года, обеспечивая достаточно высокую точность измерений. Запуск первого радиозонда И сегодня метеорологи продолжают запускать воздушные шары в небо, чтобы составить прогноз погоды. Теперь радиозонды отправляются на работу дважды в день, в полночь и в полдень, одновременно по всему миру. Таким образом синоптики получают наиболее полную картину состояния и изменений атмосферы. Всего в мире запускается около тысячи зондов, из них на Россию приходится примерно сотня. Как и 90 лет назад, каждый радиозонд собирает и передает данные на метеостанцию, затем они отправляются в Гидрометцентр, где и составляется прогноз погоды. Как работает система радиозондирования За все время применения радиозондов их устройство и принципы работы существенно не изменились. К шару, наполненному газом, прикрепляется измерительный прибор, оснащенный датчиками и радиопередатчиком. Шар поднимает устройство в атмосферу, датчики собирают данные и передают их на землю. Современные радиозонды могут работать несколько часов и подниматься на такие высоты, где температура достигает -90°С. Новые технологии позволяют делать радиозонды миниатюрными и поднимать их на высоту до 40 км. Такие зонды при своих небольших размерах остаются полнофункциональными устройствами, которые измеряют температуру, давление и влажность воздуха, скорость и направление ветра. Находить устройства в пространстве помогают радиолокаторы и системы спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС. Схема работы системы радиозондирования «Полюс». Рисунок: АО «Радий» Для определения координат радиозонда применяются два метода: угломерно-дальномерный и разностно-дальномерный. В первом случае азимут и угол места радиозонда определяются при помощи радиолокатора, а дальность определяется по ответной паузе на запросный импульс. Во втором случае зонд сам определяет свои координаты при помощи спутниковой навигации и направляет их совместно с телеметрией на базовую станцию. Базовая станция также может определять координаты своего местоположения при помощи спутников. Новинка для российских синоптиков Предприятие «Радий», входящее в КРЭТ и расположенное в 120 км от Челябинска, является крупнейшим в России разработчиком и производителем аэрологического оборудования, в том числе радиозондов. С 2016 года «Радий» начал поставлять российским синоптикам системы нового поколения для радиозондирования атмосферы «Полюс» в стационарном и мобильном вариантах. Зонд МРЗ-Н1. Фото: АО «Радий» Система состоит из наземной базовой станции слежения и запускаемого в свободный полет радиозонда МРЗ-Н1. Он может подниматься на высоту до 40 км и фиксировать температуру в пределах от –90 до +50 °С, а также измерять относительную влажность воздуха, давление, скорость и направление ветра. Работа с радиолокационными системами ГЛОНАСС, GPS и GALILEO позволяет определять координаты и скорость движения зонда. Собранные данные передаются по цифровому каналу на базовую станцию слежения. Станция принимает телеметрический сигнал, демодулирует его и выделяет пакеты с телеметрической информацией. Затем компьютер базовой станции выполняет обработку, индикацию и сохранение аэрологической информации. Система «Полюс» имеет несколько преимуществ перед зарубежными и отечественными аналогами. Зонд МРЗ-Н1 при весе всего в 170 гр он может работать около 4 часов, более точно измеряет температуру и чаще обновляет данные. Частота радиопередатчика варьируется в диапазоне 400,15 – 406 МГц, что не препятствует работе сотовой связи в зоне действия зонда. Базовая станция «Полюс». Фото: АО «Радий» Система «Полюс» отличается низким энергопотреблением, упрощенной установкой и высокой точностью измерения координат зонда и скорости его движения при удалении до 250 км и высоте до 40 километров. Компьютер, входящий в комплекс, оснащен промышленным монитором и водонепроницаемой клавиатурой, и в целом все оборудование выполнено с повышенной ударо- и вибропрочностью. Характеристики «Полюса» позволяют использовать его в условиях Крайнего Севера и даже на дрейфующих льдинах. Система проста в эксплуатации и не требует привлечения высококвалифицированных специалистов. Навигационные системы радиозондирования «Радий» с 2011 года работают на обеспечение метеоподготовки пусков ракет на космодроме Байконур, обеспечивали метеоподготовку первого пуска ракеты-носителя «Союз-2.1а» в апреле 2016 года на космодроме Восточный. Мобильные комплексы на базе автомобиля «Газель» были приобретены Росгидрометом в 2016 году и успешно эксплуатируются в Крыму. В марте 2017 года система была продемонстрирована Президенту РФ и участникам Арктического форума на Земле Франца-Иосифа и показала хорошие результаты в условиях Арктики. Росгидромет уже начал оснащать метеостанции оборудованием «Радия» в рамках масштабной программы обновления. Благодаря новой технике российские синоптики смогут более точно прогнозировать погоду и своевременно предупреждать население о природных и техногенных катастрофах. В прошлом году «Радий» представил новинку – двухканальную систему, способную сопровождать одновременно два радиозонда.