60 лет осадкомерному полигону в Валдайском филиале ГГИ (часть 3)

Измерения осадков

Увеличение точности измерений осадков в точке измерений с целью достижения требуемой точности – это подготовка для следующего этапа развития исследований - этапа оценки точности измерений слоя выпавших осадков на определенную территорию пространственными методами измерений, поскольку чтобы оценить погрешность применения пространственного метода и рациональность его использования, результаты измерений по нему необходимо сравнить с результатами измерений, полученными по такому методу измерений, который имеет достоверную, исследованную и подтверждённую требуемую точность измерений. Пока таким простым и надёжным является метод точечных наземных измерений осадков.

Требуемая точность определения слоя выпавших осадков на некоторую территорию с использованием метода наземных измерений (осадкомерами) может быть достигнута уменьшением систематической и случайной погрешности результатов измерений осадков в точке наблюдений на следующем этапе исследований посредством:

• усовершенствования измерительных систем (особенно, эталонных - ВКС и DFIR);

• усовершенствования методики оценки погрешностей измерений (например, более правильным выбором данных)
• совершенствования методики корректировки данных для исключения систематических погрешностей результатов автоматизированных измерений
• разработки методики наблюдений для определения действительного слоя осадков, выпавших на определённую территорию (например, использование для измерений нескольких осадкомерных систем, установленных на рассматриваемой территории)

Таким образом, основными задачами экспериментальных исследований на Валдайском осадкомерном полигоне в ближайшей перспективе являются следующие.

1) Усовершенствование измерительных систем

а) ВКС имеет пренебрежительно малую систематическую погрешность, если измерения осадков проводятся по весовому осадкомеру (т.е. не требуются поправки на смачивание стенок осадкосборного сосуда) и с добавлением минерального масла летом (т.е. не требуются поправки на испарение осадков из осадкосборника), как было до 1987 года. Сейчас в состав ВКС входят не весовые осадкомеры Третьякова, и поэтому при расчётах в значения осадков требуется вводить поправки. С целью увеличения точности измерений целесообразно переоснастить ВКС весовыми осадкомерами (для исключения поправок на смачивание и испарение), разместив их на кустарниковой площадке в испытанных специальных заборных защитах. После этого, необходимы дополнительные исследования для определения точностных характеристик модернизированной ВКС. Комплекс модернизированной ВКС, оснащённой весовыми автоматическими осадкомерами, нужен для оценки точности измерений, проводимых с использованием автоматических осадкомеров, которыми оснащаются гидрометеорологические станции Росгидромета и всемирная сеть измерений.

б) Систематическая погрешность международного эталона DFIR с установленным в нём неавтоматическим осадкомером Третьякова может достигать 10%, а случайная – 50% при измерениях твёрдых осадков на суточном или полусуточном уровне. Так как этот осадкомер не весовой, то в значения измеренных осадков требуется вводить поправки. Замена неавтоматического осадкомера на автоматический весовой усовершенствует эту систему. Для увеличения точности измерений осадков международным вторичным эталоном DFIR на осадкомерном полигоне была установлена двойная заборная защита, окружающая весовой осадкомер Pluvio-200. Для использования автоматического весового осадкомера Pluvio в двойной заборной защите необходимо определить метрологические характеристики измеренных значений осадков по этой системе относительно значений по автоматизированной ВКС. Для этого, после модернизации ВКС, потребуется проведение параллельных наблюдений за осадками по обеим модернизированным системам.

2) Усовершенствование методики корректировки данных для исключения систематических погрешностей результатов автоматизированных измерений

В связи с постепенным переходом на мировой осадкомерной сети на автоматические осадкомеры, вновь стал актуален вопрос корректировки данных измерений, но уже по автоматическим осадкомерам, в случае, если планируется их использование без специальных защит, значительно уменьшающих погрешность измерений. Одним из вариантов решения этой задачи может быть усовершенствование существующей модели корректировки значений осадков для применения её к данным по автоматическим осадкомерам. При этом, в значения осадков, измеренных по автоматическим весовым осадкомерам, не нужно вводить поправки на смачивание и испарение, а нужно использовать поправку на ветровой недоучёт осадков для той конструкции осадкомера, на который будет заменён осадкомер Третьякова. Для определения этой поправки необходимы дальнейшие научные исследования.

3) Усовершенствование методики оценки погрешностей измерений

Осадкомерная система DFIR была рекомендована ВМО в качестве международного (вторичного) эталона, и поэтому её могут использовать в качестве эталона для определения погрешности других средств измерений, эксплуатируемых на площадках наблюдений, особенно при международных взаимосравнениях измерений осадков. В ходе исследований было выявлено, что для более точной оценки погрешностей измерений необходимо улучшить методику оценки погрешностей более правильным выбором данных для расчётов. Для оценки точности измерений необходимы данные, полученные при относительно равномерном выпадении осадков на всю территорию площадки, и сравнивать значения осадков для расчётов погрешностей измерений можно в случае их однократного выпадения на площадку между сроками наблюдений (при измерениях неавтоматическими осадкомерами - с обязательным условием, что в эти сроки наблюдений во время смены вёдер осадкомеров осадки не выпадали или, по крайней мере, были не ливневые).

Если при выборе данных для расчёта погрешности измерений осадков не учитывать вышеизложенные особенности, случайная составляющая погрешности при расчётах может оказаться большой, не соответствующей действительной, что отразится и на величине рассчитанной систематической составляющей погрешности.

4) Разработка соответствующей методики наблюдений для определения действительного слоя осадков, выпавших на определённую территорию

Для разработки соответствующей методики оценки точности измерений осадков пространственными методами, могут быть успешно использованы эталонные системы Валдайского осадкомерного полигона после их модернизации. Оценивать пространственные методы измерения выпавших осадков можно, используя ВКС или одновременно несколько систем DFIR (с автоматическими осадкомерами), устанавливая их на исследуемой территории и рассчитывая среднее значение измеренных осадков по этим эталонным системам. При этом, ВКС и DFIR должны иметь требуемую подтверждённую точность измерений осадков. Более того, на осадкомерном полигоне должны располагаться два варианта систем ВКС и DFIR – один с автоматическими осадкомерами для оперативных измерений, а другой - с неавтоматическими (на случай неполадок в автоматических осадкомерах).

Измерения для определения испарения с водной поверхности

Помимо наблюдений за осадками, на водноиспарительных площадках ВФ ГГИ, в том числе и на осадкомерном полигоне, много лет проводятся наблюдения за испарением с водной поверхности с использованием измерительной пары трубка-бюретка для измерений уровня воды в испарителях разных конструкций, разработанных в свое время во ВНИГЛ: в испарителях ГГИ-3000, в теплоизолированных испарителях ТМ-1, в испарительных бассейнах с площадью водного зеркала 3, 5, 20 и 100 м2, а также в американском испарителе класса А.

Результаты исследований погрешностей использования измерительной пары трубка-бюретка привели к выводу о необходимости повышения точности измерений уровня воды посредством автоматизации измерений. В 2020 году на водноиспарительной площадке осадкомерного полигона начались исследования применению автоматического магнитострикционного датчика уровня воды, которым, согласно программы модернизации сети наблюдений России, планируется заменить ручной способ измерения уровня воды на автоматизированное с целью повышения точности определения испарения с водной поверхности. Для этого установлены высокоточные автоматические магнитострикционные датчики уровня воды в испаритель ГГИ-3000, датчик температуры поверхности воды в испарителе и датчик скорости ветра около испарителя.

Исследования с использованием магнитострикционного датчика уровня воды пока проводятся только в испарителе ГГИ-3000, который получил массовое применение на гидрометеорологической сети у нас в стране и за рубежом. Однако, есть ещё и другие конструкции испарителя, которые считаются более лучшими: теплоизолированный испаритель ГГИ-3000 ТМ и бассейн 20 м2, эксплуатируемые на водноиспарительной площадке ВФ ГГИ, а также испарительный бассейн с площадью водного зеркала 100 м2, применяемый ранее в исследованиях во ВНИГЛ. Теплоизолированный испаритель ГГИ-3000 ТМ лишен основного недостатка испарителя ГГИ-3000 - значительного теплообмена с почвой, влияющего на температуру воды в испарителе. Бассейн 20 м2 принят в качестве эталонного прибора для измерения испарения, величина которого принимается за испарение с реальных водоемов до 1000 км2 и глубиной не более 10-16 м. Величина испарения с бассейна 100 м2 принимается за испарение со средних водоёмов. Поэтому необходимы исследования с использованием, по крайней мере, двух магнитострикционных датчиков уровня воды для сравнительных измерений и получения переходных коэффициентов от значений по испарителю, который используется на сети наблюдений, к значениям по эталонному испарителю. Относительно значений по эталонному испарителю можно исследовать и американский испаритель класса А, который широко используется за рубежом, причём с установленным в нём магнитострикционным датчиком уровня воды.

Необходимые условия для проведения дальнейших исследований

Чтобы улучшить оценку погрешности результатов измерений, т.е. уменьшить величину случайной составляющей погрешности и более точно определить величину систематической составляющей погрешности результатов измерения осадков, необходимо:

1. Поддерживать две площадки осадкомерного полигона в требуемом состоянии, чтобы не допускать появления дополнительной неопределённой погрешности в результатах измерений, вызванной изменением защищённости площадки. То есть, на кустарниковой площадке массив кустарника, являющийся кустарниковой защитой, должен подстригаться на уровне приёмной поверхности осадкомеров (2 м), а вокруг площадки не должно быть деревьев и кустарников, превышающих эту высоту. На луговой площадке высота травяного покрова не должна превышать 20 см в течение всего теплого периода года в соответствии с рекомендациями в «Наставлении гидрометеорологическим станциям и постам» (выпуск 3, часть I), а вокруг луговой площадки не должно быть высоких кустов и деревьев, чтобы она была открыта ветрам всех направлений.

2. Сохранять в необходимом состоянии ВКС и DFIR, а также шесть осадкомеров Третьякова на луговой площадке для выявления равномерности выпадения осадков на весь полигон, для оценки однородности, достоверности и сравнимости результатов наблюдений при оценке точности результатов измерений по эксплуатируемым осадкомерам.

3. Для обеспечения качественных исследований, достоверности результатов наблюдений и однородности рядов данных, вокруг осадкомерного полигона должна быть установлена охранная зона не менее 200 м («Наставление гидрометеорологическим станциям и постам», выпуск 3, часть I), с сохранением ее физико-географических и ландшафтных особенностей.

Заключение

Экспериментальные наблюдения, проведённые на Валдайском осадкомерном полигоне за время его существования, и научные обобщения результатов этих наблюдений, внесли значительный вклад в решение проблемы точности измерений атмосферных осадков как на национальном, так и международном уровнях. Разработанные осадкомерные системы – ВКС и DFIR, которая широко используется во всем мире – позволили оценить и увеличить точность измерений осадков.

Применение автоматических высокоточных датчиков уровня воды вместо ручных измерений с использованием измерительной пары трубка-бюретка может повысить точность расчётов испарения с водной поверхности и проводить исследования по испарению на новом, более высоком уровене.

Осадкомерный полигон с эталонными системами измерения осадков и испарения и большое количество накопленных данных представляют несомненную ценность для дальнейших исследований по оценке и увеличению точности измерений осадков и испарения. Достоверные данные по осадкам и испарению в точке измерений нужны не только для определения действительных значений осадков и испарения в месте наблюдений, но и в качестве эталонных значений для оценки пространственных методов измерений, а также для моделирования природных процессов.

Благодарности

Сотрудники ФГБУ «ГГИ» с благодарностью вспоминают всех тех, кто участвовал в создании осадкомерного полигона и измерительных установок на нём, проводил наблюдения и исследования, способствовал сохранению полигона и его модернизации - директора Государственного гидрологического института в 1963 году Урываева Валериану Андреевичу, организатора и создателя ВНИГЛ, учёных института Голубева Валентина Степановича, Кокорева Александра Васильевича и других сотрудников, работавших и внесших большой вклад в развитие осадкомерного полигона в течение всех 60 лет.