Способ определения усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы
METHOD OF DETERMINING AVERAGED VALUES OF METEOROLOGICAL PARAMETERS IN THE BOUNDARY LAYER OF THE ATMOSPHERE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области мониторинга метеорологической обстановки и может быть использовано для повышения точности экологических прогнозов загрязнения окружающей среды вредными примесями от аварийных источников, местоположение которых неизвестно заранее, например для прогноза радиационной обстановки от выбросов радиоактивных веществ при транспортных авариях радиационно-опасных грузов в пределах пограничного слоя атмосферы.
Уровень техники.
Отсутствие технических средств, позволяющих провести оперативные градиентные метеорологические измерения в районе нахождения аварийного источника загрязнения окружающей среды, местоположение которого неизвестно заранее, вынуждает, при прогнозировании экологической обстановки прибегать к оцениванию метеорологических параметров по полуэмпирическим моделям без проведения метеорологических наблюдений непосредственно в месте проведения аварийно-спасательных работ. Например, в случаях радиационных аварий при расчетах в качестве исходных данных используют результаты градиентных измерений, проводимых в приземном слое атмосферы на высотах от 0,5 до 10 м на стационарных метеорологических постах, ближайших к аварийному источнику аварийных выбросов [1].
Известны стационарные технические системы контроля за экологической обстановкой в районах размещения радиационно- и химически-опасных объектов, которые включают в себя датчики метеорологических параметров (Патент на полезную модель РФ 85002, 20.07.2009, G01W 1/11; Патент на полезную модель РФ 61448, 27.02.2007, G08C 19/00). Известна Автоматизированная система контроля радиационной обстановки (АСКРО), включающая систему метеорологических датчиков, окружающих атомные электростанции (АЭС), которые осуществляют градиентные измерения температуры воздуха и скорости ветра на высотах 0,5 и 2 м [1]. Недостатком рассмотренных технических систем контроля экологической обстановки является ограничение высоты проведения измерений (до 8-10 м) и необходимость заблаговременного размещения датчиков в районах нахождения радиационно-опасных объектов.
Известны дистанционные способы измерения характеристик ветрового потока и турбулентности атмосферы лидарными и радарными системами (Патент РФ 2494422, 27.09.2013, G01W /00; Патент РФ 2602730, 20.11.2016, G01W /00; Патент РФ 2405172, 27.11.2010, G01S 17/95, G01P 5/26; Патент РФ 24004435, 04.06.2009, G01P 5/22). Недостатками лидарных и радарных систем является их высокая стоимость и массогабаритные характеристики, требующие привлечения дополнительных транспортных средств.
Известны способы контроля за метеорологической обстановкой и переносом примесей в атмосфере с помощью шаров-зондов (Патент на полезную модель РФ 92204, 10.03.2010, G01W 1/02; Патент РФ 2274880, 20.04.2006, G01W 1/02; Патент на полезную модель РФ 98256, 10.10.2010, G01W 1/00). Недостатком способов является низкая оперативность измерений и необходимость применения специального оборудования и баллонов с гелием, которые являются объектами повышенной взрыво- и пожаро-опасности.
Аналог.
Аналогами предлагаемого способа являются способы определения скорости и направления ветра летательными аппаратами, в том числе беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) вертикального или горизонтального типов взлета, на основе анализа характеристик их полета (смещение под воздействием силы ветра относительно ориентиров, зависимость наклона вектора тяги от скорости ветра) или использования специальных технических средств измерений [2, 3].
Известны способы определения усредненных значений скорости ветра (Патент РФ 2600519, 20.10.2016, G01W 1/00, Патент РФ 2650094, 06.04.2018, G0W 1/08, G01P 5/00, Патент РФ 2632270, 03.10.2017, G0W 1/08, G01P 5/00), заключающиеся в том, что в качестве зонда используют БПЛА мультироторного типа, способный зависать в заданной точке пространства и способ (Патент РФ 2206112, 10.06.2003, G01W 1/00), заключающийся в том, что измеряют скорость ветра летательным аппаратом самолетного типа по отклонению маршрута от заданного курса за определенный период времени. В указанных способах решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления. Измерения скорости ветра осуществляют в свободной атмосфере, в которой пренебрегают влиянием орографии на ветровой поток.
Прототип.
Наиболее близким аналогом является «Способ определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющей скорости ветра и его направления» (Патент РФ 2616352, 14.02.2017, G01W 1/08), заключающийся в том, что в заданную точку пространства запускают БПЛА мультироторного типа, снабженный навигационными приборами, способный возвращаться в заданную точку, переводят БПЛА в режим удержания горизонтального положения и «нулевой плавучести». Спустя время, необходимое для уравнивая скорости БПЛА относительно ветра, с помощью системы спутниковой навигации измеряют координаты первой точки и текущее время, спустя время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси измеряют координаты второй точки и текущее время. Полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего значения компонент скорости ветра и его направления находят, решая обратную геодезическую задачу.
Недостатком прототипа является то, что достоверные данные о вертикальном распределении параметров ветра возможно получить только для свободной атмосферы. На результаты измерений БПЛА в зависании в пограничном слое атмосферы неизбежно окажет влияние характер местности, что исказит получаемый вертикальный профиль ветра [3]. Кроме того, проведение измерений только с использованием БПЛА не позволит получить данные о метеорологических параметрах вблизи поверхности земли.
Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении функциональных возможностей БПЛА и увеличении объема информации, а именно в возможности определения с помощью БПЛА усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы в районах выбросов загрязняющих веществ от аварийных источников от поверхности земли до требуемой для выполнения достоверного экологического прогноза высоты.
Цель изобретения - повышение достоверности прогноза экологической обстановки путем повышения достоверности исходных данных о метеорологической обстановке в районе нахождения аварийного источника вредных выбросов.
Способ достижения технического результата.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения метеорологических параметров в слое атмосферы от поверхности земли до высоты подъема облака загрязняющих примесей осуществляют одновременно двумя техническими средствами. В приземном слое измерения осуществляют средствами метеорологического комплекта (МК), высотные измерения проводят средствами БПЛА. Оперативность обработки данных достигается тем, что цифровые каналы связи и электронные вычислительные комплексы обеспечивают обработку данных в режиме реального времени.
Предлагаемый способ отличается тем, что одновременно проводят измерения метеорологических параметров в однородном ветровом потоке в приземном слое атмосферы и на любых требуемых высотах в непосредственной близости от аварийного источника вредных выбросов в период времени, соответствующий времени развития аварии и формирования загрязнения, с учетом влияния орографии на результаты измерений. Сущность изобретения.
Сущность способа схематично поясняется на фигурах:
на фиг. 1 - показаны схема проведения измерений в районе нахождения аварийного источника выбросов и схема местности, влияющей на формирование ветрового потока в точке измерения скорости ветра в приземном слое;
на фиг. 2 - показана зависимость ширины района, влияющего на формирование ветрового потока в точке измерения, от высоты проведения измерений;
на фиг. 3 - сплошной линией показана схема полетного задания для БПЛА, штриховой линией - маршрут полета БПЛА под влиянием ветрового потока;
на фиг. 4 - показан комплекс технических средств и схема их взаимодействия в процессе измерения усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы.
Известно, что препятствия на местности с наветренной стороны от места установки датчика приводят к искажению измеряемого профиля ветра [4]. При выборе места для проведения измерений следует выбирать участок местности с наветренной стороны относительно района нахождения аварийного источника вредных выбросов, показанный на фиг. 1, такой, чтобы в зоне, воздействующей на ветер в точке М на высоте z, было минимальное количество скачков шероховатости поверхности или участок местности был типичным для района аварии. В полевых условиях в целях оперативности при выборе места установки датчиков целесообразно пользоваться грубым правилом, предложенным Бызовой Н.Л. [4]: первая реакция на перемену высоты шероховатости на высоте z проявляется на расстоянии
от места перемены, а полное приспособление наступает на расстоянии
Ориентировочные размеры ширины с зоны, оказывающей влияние на ветровой поток в точке измерения на высоте z, приведены на графике фиг. 2, построенном по эмпирическим данным, полученным Пасквиллом для безразличной стратификации атмосферы.
Если высота препятствий на местности значительная (лес, строения), для оценки минимальной высоты проведения измерений z можно воспользоваться формулой [5]
0
а
где z - высота шероховатости поверхности в зоне, оказывающей влияние на формирование ветрового потока, α - коэффициент, учитывающий реальные параметры местности,  - расстояние от места проведения измерений до скачка высоты шероховатости.
Очевидно, что чем ниже точка измерения, тем больше вероятность найти площадку, характеризующуюся однородным типом подстилающей поверхности. Результаты измерений, проведенные на более значительных высотах (более 8 м), неизбежно будут искажены особенностями местности - рельефом, наличием скачков шероховатости (лес/пашня и т.п.) и смены сред (вода/суша). Известны способы осреднения скорости ветра по некоторой площади по градиентным измерениям, проведенным в нескольких пунктах [4].
п
Применение БПЛА позволяет усреднить скорость ветра по некоторой траектории полета. Снижение влияния местности на получаемый профиль ветра осуществляется путем осреднения скорости ветра по некоторой площади, центральная часть которой должна находиться над местом установки метеорологической мачты МК. Схема маршрута приведена на фиг. 3, где 1 - заданный курс полета, 2 - траектория полета под влиянием ветрового потока, 3 - направление ветра. Курсы полета (линии 1) прокладываются по прямым линиям, проходящим через точку, находящуюся вертикально над метеорологической мачтой МК, под углами кратными⋅45 градусам относительно курса на магнитный полюс Земли. Скорость и направление ветра u рассчитывают известными способами путем решения обратной геодезической задачи по отклонению маршрутов полета (2 фиг. 3) от заданного маршрута (1 фиг. 3) за фиксированное время полета Δt.
Обработка данных осуществляется специальным программным обеспечением в режиме реального времени по данным, поступающим по радиоканалу связи на наземный вычислительный комплекс (НВК).
Схема взаимодействия технических средств в процессе проведения метеорологических измерений приведена на фиг. 4. Технический комплекс для определения усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы включает: НВК со специальным программным обеспечением (поз. 1); комплекс средств автоматизации сбора, передачи и приема телеметрических данных от метеорологических датчиков, включающего помехоустойчивую аппаратуру передачи данных и средство радиосвязи (поз. 2); МК с метеорологической мачтой (поз. 3); БПЛА, оснащенный системой крепления метеорологических и навигационных датчиков, электронными гироскопом, электронным магнитным компасом, высотометром (поз. 4); наземную станцию управления БПЛА (поз. 5); целевую метеорологическую нагрузку БПЛА, в состав которой входят термометр, барометр, психрометр, с возможностью передачи данных в телекодовый канал связи по цифровым стандартным интерфейсам (поз. 6); навигационную систему БПЛА с дециметровой точностью позиционирования (поз. 7).
Дециметровая точность позиционирования по сигналам космических навигационных систем может достигаться за счет режима относительной навигации по специально развернутым в зоне действия БПЛА базовым (рефрентным) станциям, либо по имеющимся региональным навигационным сетям высокоточного позиционирования гражданского назначения, либо совместного использования инерциальной и космической навигационных систем.
Вертикальные профили метеорологических параметров аппроксимируют по измерениям, проведенным на трех или более высотах, известными методами, например, методом наименьших квадратов.
Способ осуществляется следующим образом:
1 По прибытии к месту аварии выбирают место проведения измерений средствами МК, такое, чтобы в зоне, влияющей на формирование ветрового потока в месте проведения измерений, было минимальное количество скачков шероховатости поверхности, отсутствовали участки смены сред, или участок местности был типичным для района аварии. Площадь зоны с наветренной стороны относительно места аварии определяют с учетом правил, определенных формулами (1) - (3), и зависимости на фиг. 3.
2 Специальным программным обеспечением НВК рассчитывают полетное задание БПЛА в соответствии со схемой фиг.4 и временем, отведенным на измерения, для двух или более высот полета. Маршруты задают географическими координатами точек начала маршрутов в выбранной системе координат и курсом полета. Курсы полета (линии 1) прокладываются по прямым линиям, проходящим через точку, находящуюся вертикально над метеорологической мачтой МК, например, под углами 0, 45, 90, 135 градусов относительно направления на магнитный полюс Земли. Полетное задание передают на станцию управления БПЛА.
3 Определяют исходные геодезические данные для места проведения измерений в выбранных системе координат и референц-эллипсоиде.
4 Осуществляют измерения скорости ветра, температуры, давления и влажности в приземном слое атмосферы средствами МК.
5 Одновременно с п. 4 БПЛА поднимают на первую высоту в первую точку маршрута, определенную полетным заданием.
6 Выполняют полет с постоянными значениями скорости, высоты полета и курса в течение заданного времени Δt.
7 В режиме реального времени с помощью специального программного обеспечения НВК осуществляют сбор и обработку данных, поступающих от метеорологических и навигационных датчиков БПЛА. Вычисляют координату, в которую должен был переместиться БПЛА в отсутствии влияния ветрового потока. Скорость и направление ветра рассчитывают по навигационным данным БПЛА известными способами путем решения обратной геодезической задачи.
8 Перемещают БПЛА в следующую точку полетного задания. Повторяют пункты 6-7 для всех точек на заданной высоте полета.
9 По совокупности измерений рассчитывают среднее значение скорости ветра на высоте полета.
10 Перемещают БПЛА на следующую высоту проведения измерений в первую точку маршрута. Повторяют п. 6-9 на заданной высоте.
11 Аппроксимируют вертикальные профили метеорологических параметров по измерениям на трех или более высотах, например, методом наименьших квадратов.
Рекомендуемое время усреднения измерений скорости ветра анемометром не менее 10 мин. Расчетное время проведения измерений БПЛА на двух высотах и обработки данных при длине маршрутов порядка 0,5 км и крейсерской скорости БПЛА 60 км/ч составит 10-15 мин. Таким образом, время измерений БПЛА соответствует времени измерений МК и требованиям оперативности поступления исходных данных для прогнозирования экологической обстановки.
Соответствие критерию «новизна».
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в известных способах измерений скорости ветра с помощью БПЛА измерения осуществляют в свободной атмосфере, где отсутствует необходимость учитывать влияние особенностей местности на формирование ветрового потока. В отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет минимизировать влияние орографии местности на получаемый профиль ветра при измерениях в пограничном слое атмосферы на высотах более 8 м за счет осреднения измерений скорости ветра по траектории полета БПЛА. В отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет одновременно проводить измерения в приземном слое и на любых требуемых высотах в однородном ветровом потоке в требуемом районе.
Соответствие критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные способы метеорологических измерений позволяют определять усредненные значения метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы, включая приземный, используя БПЛА и МК.
Соответствие критерию «промышленная применимость».
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы серийно выпускаемые БПЛА вертикального или горизонтального типа взлета, метеорологические датчики и комплекты для метеорологических измерений.
Реализация способа.
Предлагаемый способ может быть реализован техническими средствами из состава мобильных комплексов специальных аварийных формирований ликвидации последствий радиационных аварий или серийно выпускаемыми БПЛА и МК.
Технико-экономическая эффективность.
Для реализации предлагаемого способа не требуется включение в состав мобильных комплексов специальных аварийных формирований дополнительного дорогостоящего оборудования, при этом повышение достоверности прогноза масштабов загрязнения вредными и опасными веществами позволяет снизить затраты на привлекаемые для инструментального обследования ресурсы, способствует сохранению жизни и здоровья персонала и населения. Расширение перечня функциональных задач БПЛА специальных аварийных формирований способствует повышению эффективности их эксплуатации.
Список литературы
1 Положение о повышении точности прогностических оценок радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на персонал и население - Вв. в дейст. пр. ФСЭТАН №11 от 15.01.2010 г.
2 Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
3 Расторгуев И.П. Беспилотные технологии мониторинга погодных условий. -Гелиогеофизические исследования. - 2014. - Вып. 8. - С. 51-54.
4 Вызова Н.Л, Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 264 с.
5 Кухарец В.П., Цванг Л.Р. Некоторые результаты натурного моделирования воздействия подстилающей поверхности на характеристики турбулентности в приземном слое атмосферы. - Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 1994. - Т. 33. - №5. - С. 608-614.