Некоторые особенности производства метеорологических измерений на антарктической станции Восток

EARTH SCIENCES

Капустин А.В.,

Российский государственный гидрометеорологический университет,

Санкт-Петербург, DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10216 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА

АНТАРКТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ВОСТОК

Kapustin A. V.,

Russian State Hydrometeorological University,

St. Petersburg,

SOME PECULIARITIES OF PRODUCTION OF METEOROLOGICAL MEASUREMENTS AT

ANTARCTIC STATION EAST

Abstract.

Since 1999, Russian Antarctic stations have begun to switch to new means of measuring meteorological parameters with the help of automatic and semi-automatic complexes MILOS500 and MAWS of Vaisala, which have international certificates of compliance with meteorological standards. These complexes allow us to process and accumulate meteorological data every minute, which is an absolute advantage for climate research over 8- and 4-time observations (which are held every 3 and every 6 hours, respectively).

The task of meteorologists is to compare the data obtained from these automatic complexes, in accordance with data obtained from standard meteorological observations carried out in Antarctica since 1956.

But, despite the obvious advantages, automatic and semi-automatic complexes have a number of disadvantages andfeatures that must be considered when switching to new means of measuring meteorological parameters in Antarctica.

First of all, it concerns the features of the climate of Antarctica, such as abnormally low temperatures, hurricane winds. Also, all measured parameters must be representative and comply with both international and Russian standards.

The Antarctic station Vostok is the only inland station of the Russian Antarctic Expedition. The climate of the location of this unique station is of great interest to scientists around the world. In this regard, has its own characteristics and in terms of meteorological observations.

Аннотация

Начиная с 1999 года, Российские антарктические станции стали переходить на новые средства измерения метеорологических параметров при помощи автоматических и полуавтоматических комплексов MIL0S500 и MAWS фирмы «Vaisala», которые имеют международные сертификаты соответствия стандартам метеорологических наблюдений. Эти комплексы позволяют обрабатывать и накапливать метеорологические данные в ежеминутном режиме, что является безусловным преимуществом для исследования климата перед 8- и 4-срочными наблюдениями (которые проводятся каждые 3 и каждые 6 часов соответственно).

Задачей метеорологов является сопоставление данных, получаемых с этих автоматических комплексов, в соответствии с данными, полученными в результате стандартных метеорологических наблюдений, проводящихся в Антарктиде с 1956 года.

Но, несмотря на очевидные преимущества, автоматические и полуавтоматические комплексы имеют ряд недостатков и особенностей, которые необходимо учитывать при переходе на новые средства измерений метеорологических параметров в Антарктиде.

В первую очередь это касается особенностей климата Антарктиды, таких как аномально низкие температуры, ураганные ветры. Также, все измеренные параметры должны быть репрезентативны и соответствовать как международным, так и российским стандартам.

Антарктическая станция Восток является единственной внутриконтинентальной станцией Российской Антарктической Экспедиции. Климат района расположения этой уникальной станции представляет огромный интерес для ученых всего мира. В связи с этим имеются свои особенности и в плане метеонаблюдений.

Keywords: East, MILOS, station, MAWS, UPS, limit of measurement

Ключевые слова: Восток, MILOS, станция, MAWS, UPS, предел измерения

Задачи исследования:

- проанализировать особенности эксплуатации метеорологических комплексов MILOS500 и MAWS110 в условиях станции Восток;

- сравнить данные, полученные при помощи этих комплексов, с данными, полученными при помощи стандартных метеорологических измерений.

Физико-географическое и климатическое описание

Восток - это единственная научная внутрикон- от побережья - 1260 км, от станции Мирный - 1410

тинентальная станция России. Она расположена на км, от Южного полюса - 1253 км. Толщина ледни-

равнинной снежной поверхности ледникового кового покрова в данном районе составляет 3700 м,

плато Восточной Антарктиды (рис. 1), на высоте [1, 2] 3488 м над уровнем моря. Наименьшее расстояние

Рисунок 1. Карта Антарктиды

Географическое положение станции, особенности подстилающей поверхности, режима солнечной радиации и циркуляции атмосферы обуславливают общую суровость климата. Здесь в течение всего года наблюдаются необычайно низкие температуры воздуха. Средняя годовая температура воздуха на станции равна -55.4°С.

Температура четырех зимних месяцев (апрель-июнь, сентябрь) одинакова, а двух более холодных месяцев (июль, август) отличается от нее лишь на 1-2° (рис. 2) [2, 6].

Рисунок 2. Средняя температура воздуха на станции Восток по месяцам.

Несмотря на ровный, в общем, ход темпера- ночь, достигает предела. Однако абсолютный ми-туры воздуха зимой, наиболее холодным является нимум температуры на станциях в центре ледяного август (средняя многолетняя температура августа купола Антарктиды всегда отмечается в июле. 21 близка к -70°С), когда выхолаживание атмосферы июля 1983 г. на станции Восток зарегистрирован над материком, продолжающееся всю полярную абсолютный минимум приземной температуры воздуха на планете, равный -89.2 °С (рис. 3) [2, 4].

Рисунок 3 - Абсолютные минимумы температуры воздуха на станции Восток по месяцам. Абсолютный максимум, зарегистрированный на станции Восток, равен -12.3 °С (рис. 4).

Рисунок 4 - Абсолютный максимум температуры воздуха на станции Восток по месяцам.

На станции Восток, вследствие ее нахождения на большой высоте (3488 м над уровнем моря), очень низкое атмосферное давление, в среднем за год составляющее 624.2 гПа. Годовой ход - с максимумом летом и минимумом в конце зимы (сентябрь) (рис. 5).

Рисунок 5- Среднемесячное атмоферное давление на станции Восток.

Климат также отличается крайне низкой влажностью воздуха: на станции Восток упругость водяного пара составляет летом только 0.29 гПа, а в среднем за год - 0.07 гПа. Незначительное количество влаги в атмосфере объясняется ничтожной величиной испарения с поверхности ледникового покрова вследствие отсутствия запаса свободной

влаги на поверхности и низкой температуры воздуха. В годовом ходе абсолютной влажности максимум отмечается летом, а минимум - зимой. [3, 5, 6, 7]

Средняя годовая относительная влажность на станции составляет 71%. Летом она максимальная (73%), зимой - минимальная (69%) (рис. 6).

75 74

123456789 Ю 11 12 Т\ fee Я I I,

Рисунок 6 - Среднемесячная относительная влажность воздуха на станции Восток

Автоматические станции.

Для производства метеорологических наблюдений используются: автоматические метеостанции (АМС) MILOS 500 и MAWS 110.

Станция MILOS 500 (рис. 7) расположена в

пяти метрах от крыши жилого дома. Высота мачты датчика ветра - 7м, суммарная высота датчика ветра по отношению к метеорологической площадке составляет 12м.

Рисунок 7 - Мачта станции MILOS 500

Терминал станции - компьютер TOSHIBA, на базе Pentium-celeron, являющийся составной частью комплекса ст. MILOS 500, установлен в метеокабинете. Связь между терминалом и станцией MILOS 500 осуществляется по информационному кабелю (без конвертора линии). Электропитание станции и ПК защищены блоками UPS "Powercom". Высота барометра станции MILOS 500: 2.5м от уровня станции.

Станцией MILOS 500 измеряются и регистрируются следующие параметры (рис. 2.9):

Температура воздуха - датчик HMP35 с пределами измерения -90оС - 0оС.

Температура почвы - датчик DTS12G с пределами измерения

-90оС - +60оС.

Атмосферное давление - датчик DPA21 с пределами измерения 500 - 1050 гПа.

Направление и скорость ветра - датчик WMS301 с пределами измерения 0о - 360о; 0,4 - 60 м/сек [7].

Мачта АМС MAWS 110 установлена непосредственно над метеокабинетом, что обусловлено длиной кабелей датчиков температуры и суммарной радиации. Высота мачты 6,5м.

Рисунок 8 - Мачта станции MA WS110

Базовый блок установлен в кабинете метеоролога. Там же установлен терминал станции - компьютер «ASUS», являющийся составной частью комплекса станции MAWS 110. Электропитание станции и ПК защищены блоками UPS «Powercom». Данные записываются на карту памяти, а также ежедневно скачиваются на рабочий компьютер для обработки.

Особенности эксплуатации MIL0S500 и MAWS110

Эксплуатация автоматических комплексов на станции Восток началась с 25.12.1999 года с установки комплекса MILOS5000 и продолжается по настоящее время. 10.02.2016 года была установлена станция MAWS 110.

Рисунок 9 - Схема компоновки станции MAWS110

Станции MAWS сконструированы для применения там, где требуется небольшое количество датчиков. Несмотря на это, MAWS110 может быть легко модернизирована с помощью комплекта датчиков, включая интеллектуальные датчики, такие как облакомер, датчик видимости и погоды, а также датчиками качества воды. Базовая система с дополнениями и аксессуарами может обеспечить всем необходимым метеорологическую и гидрологическую сеть.

В MAWS110 используется надежный базовый блок данных и усовершенствованное программное обеспечение. Гибкий интерфейс датчиков, улучшенные статистические вычисления, расширенное архивирование данных на компактной флэш-карте позволяют приспособить АМС MAWS110 под различные задачи и требования. Возможность использовать одинаковое стандартное оборудование для различных целей уменьшает затраты на обучение специалистов, запасные детали и техническую поддержку [5, 7].

АМС MAWS110 - это автоматическая погодная станция нового поколения, специально разработанная для применения там, где отсутствуют линии связи и питания, или их проведение является дорогостоящим.

Благодаря своей гибкости и экономичной конструкции, MAWS110 является идеальным выбором для применения в гидрометеорологии и гидрологии. Установка системы производится при помощи программного обеспечения Lizard. В дополнение, существует несколько общих команд для датчиков в программе Lizard, позволяющих дополнить систему новыми датчиками. Водонепроницаемый корпус помещает в себя логгер, телеметрические опции, устройство питания и резервные батареи.

Подключение датчиков производится через разъемы, облегчающие установку и обслуживание. Передача данных может осуществляться напрямую на ПК через серийную или TCP/IP связь, через PSTN модем или используя беспроводную телеметрическую связь. [5, 7]

Эксплуатация при низких температурах

На станции Восток большую часть года наблюдаются экстремально низкие температуры. В

связи с этим наблюдения за метеорологическими параметрами имеют ряд особенностей. Датчики скорости и направления ветра замерзают и показывают искаженные параметры. Это обусловлено тем, что смазка, которая применяется для уменьшения трения вращающихся элементов, замерзает, и ее вязкость резко возрастает с понижением температуры. С понижением температуры резко возрастает и порог реагирования датчиков ветра (начальная чувствительность). В виду того, что абсолютная влажность воздуха мала, а отрицательная температура на станции наблюдается на протяжении всего года, коррозия металла не возникает, использование смазки не целесообразно. На сравнительных графиках (рис. 10, 11, 12) видно, что показания датчика скорости ветра MIL0S500 в среднем на 0.5 м/с выше, чем показания датчика скорости ветра станции MAWS 110. Также при низких температурах мы можем заметить, что датчик направления ветра MAWS 110 замерзает и на протяжении некоторого времени показывает одно и то же направление ветра.

Показания датчиков температуры очень сильно зависят от скорости аспирации радиационной защиты. В случае отложения изморози на датчике, показания могут резко отличаться от истинной температуры.

Основным видом осадков на станции Восток являются ледяные иглы. Оседание ледяных игл на поверхности датчиков происходит вне зависимости от наличия радиационной защит. Так как их вес незначителен, ветер переносит иглы во всех направлениях. Иглы оседают на датчике температуры и влияют на показания.

Расположение мачты с датчиками вблизи жилого дома также оказывает сильное влияние на показания.

Сравнение показаний

Сравнив показания метеостанций, мы сможем внести необходимые поправки для синхронной работы и их взаимозаменяемости.

Рассмотрим для примера показания датчиков ветра и температуры за 1,2 и 3 апреля 2016 года.

Рисунок 10 - График сравнения показаний автоматических станций MILOS и MAWS

На графике, изображенном на рисунке 10 видно, что показания датчиков температуры воздуха на протяжении суток идентичны, что говорит о том, что датчики откалиброваны и поверены, за исключением периода с 2 часов до 8 часов по GMT. В эти часы на станции Восток происходит прогрев

23_

рость аспирации чувствительных элементов датчиков разная. Радиационная защита датчика температуры MILOS 500 прогрелась сильнее, за счет различной скорости аспирации теплый воздух задержался возле датчика, тем самым исказив показания. На рисунке 11 неравномерность прогрева

воздуха, связанный с солнечной активностью. Раз- видна более отчетливо. ницу в показаниях можно объяснить тем, что ско-

Рисунок 11 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS На графике (рис. 12) разница в показаниях наблюдается в течение всего дня.

Температура воздуха Ст. Восток 03.04.2016

MAWS

MILOS

Рисунок 12 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS

Для исключения подобных разностей в показаниях необходимо обеспечить равные микроклиматические условия для обоих датчиков. Проще всего это сделать, поместив оба датчика под одну радиационную защиту. Для объективности показаний необходимо производить своевременную очистку

от ледяных игл и изморози пространства внутри конструкции радиационной защиты.

Проанализировав показания датчиков скорости ветра (см. рисунки 13, 14, 15), видно, что показания средней скорости ветра за 2 минуты в среднем

Скорость ветра Ст.Восток 01.04.2016

MAWS MILOS

V

Рисунок 13 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS

У

Скорость ветра Ст.Восток 02.04.2016

1

А 1-Л

¿L у V • LiL^. «_ л ж* rW

F* г"-! W4 1

jm ~ - ч W"

MAWS

MILOS

Рисунок 14 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS

Рисунок 15 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS

отличаются на 0.5 м/с. Показания датчиков М1Ь08500 выше. Возможно, что причиной этому служит загустевшая смазка трущихся элементов.

Для исключения разности в показаниях необходимо удалить смазку из датчика. При необходимости - рассчитать и внести необходимую поправку в программное обеспечение MAWS110.

Анализ показаний датчиков направления ветра (см. рис. 16, 17, 18) показывает расхождение в среднем на 20 градусов, что говорит о необходимости точной ориентировки датчика MAWS110 относительно сторон горизонта.

Направление ветра Ст.Восток 01.04.2016

MAWS MILOS

V

Рисунок 16 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS за 01.04.2016 г.

J

Рисунок 17 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS

за 02.04.2016г

Рисунок 18 - График сравнения показаний станций MILOS и MAWS

за 03.04.2016 г.

Также на графиках видно, что датчик направления ветра MAWS110 замерзает и показывает одно направление в течение длительного времени.

- 01.04.16 с 18 до 21 GMT

- 02.04.16 с 09 до 20 GMT

- 03.04.16 с 22 до 00 GMT

Предположительно это также связано с загустением смазки вращающихся элементов флюгарки.

Заключение

В работе описаны современные методы получения метеорологической информации в условиях сурового климата полюса холода земли - станции Восток. Проанализирована структура получаемых данных с автоматических станций, выявлены особенности их эксплуатации.

В результате проведенного исследования получены следующие выводы:

- выявлено, что при низких температурах (ниже -60°С) датчики скорости и направления ветра автоматической станции MAWS110 показывают искаженные параметры в связи с замерзанием смазки вращающихся элементов;

- выявлено среднее отклонение от датчиков MILOS500, сделаны выводы и рекомендации;

- выявлена разница в показаниях датчиков температуры воздуха в период солнечной активности.

Сделаны выводы и предложения по устранению данной проблемы.

Список литературы

1.Аверьянов В.Г. Климат района станции Восток. - Информ. бюл. Сов. антаркт. экспед., 1968, N 69, с.79-17

2.Александров В.Я., Драбенко Д.В., Драбенко В.А. Актуальные проблемы экологического обеспечения российских исследований в Антарктиде. Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право. 2015.№ 2(16).С.9-18

3.Дубровин Л.И., Петров В.Н. Научные станции в Антарктике. - Л.: Гидрометеоиздат, с. 147-153

4.Дубровин Л.И., Козловский А.М. Советские антарктические. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.135-136

5. Отчет о работе зимовочного состава 44 РАЭ и сезона 45 РАЭ. - Фонды ААНИИ, 66 с.

6. Александров В.Я. Ледники Антарктического полуострова и их реакция на климатические изменения.- Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. № 23, 2011, с. 78-82

6. http://www.aari.aq/