Статья: Новые средства измерений и способы автоматизированного распознавания облачности

Рисунок 10 - Внешний вид прибора CIR-7 (Nephelo) [1]

На дальнем плане рисунка 10 изображена облачная камера на видимую область спектра для определения балла облачности по отношению красной и синей областей спектра. Внешний вид камеры представлен на рисунке 11.

В последнее время для исследования дневного и ночного облачного неба используют ИК-матрицы и ИК- камеры. К примеру, Инфракрасная облачная камера (ICI), которая состоит из ИК-камеры, одного или двух калибровочных черных тел, сканирующего зеркала с внешним золотым покрытием и управляющей электроники. Система ICI обеспечивает запись радиометрически откалиброванных изображений неба в окне прозрачности от 8 до 14 мкм с мгновенным полем зрения 18° Ч 13,5° [1]. Изображение облачности на экране монитора имеет цветовую шкалу в соответствии с яркостной температурой излучения абсолютно черного тела.

Рисунок 11 - Облачная камера с вторичным сферическим зеркальным объективом для определения балла облачности в дневное время суток

Рисунок 12 - Внешний вид прибора на основе инфракрасной облачной камеры (ICI) и сканирующей системы для исследования дневного и ночного облачного

Рисунок 13 - Прибор для исследования полусферического изображения облачного неба в спектральном интервале от 4 до 30 мкм

Nubiscope это прибор, который состоит из ИК-пирометра, принимающего ИК излучение атмосферы в спектральном интервале от 8 до 14 мкм с мгновенным полем зрения 3°. Его сканирующая система обеспечивает фиксацию на 30 различных зенитных углах с шагом 3° и 36 азимутальных углах через 10° [1]. Пространственное сканирование неба занимает около 6 мин и включает 1080 отдельных точечных измерений, каждое из которых соответствует конкретной области на небесной сфере. Прибор по разработанной компьютерной программе обрабатывает данные измерений. По этому алгоритму выдается процентное содержание облаков для трех различных уровней неба для классификации нижних, средних и высоких уровней. Кроме того, по разработанному алгоритму вычисляется высота нижней границы облаков и даётся грубое описание облачности, такое как ясное небо, пасмурно, облачно с прояснениями, перистые облака и туман. Дальнейшее усовершенствование прибора и программы, по мнению авторов, позволят обеспечить большее количество определяемых форм облаков, таких как прозрачные облака, низкие прозрачные облака и осадки.

Многофильтровый вращающийся радиометр с полосой затенения (MFRSR) является солнечным фотометром, который измеряет излучение неба через горизонтальный сферический зеркальный объектив и использует вращающуюся полосу затенения, чтобы отдельно измерять глобальную и диффузионную компоненты радиационного поля; прямая составляющая получается как разность между двумя измерениями [1].

Коммерческая модель MFR-7 имеет канал для общей коротковолновой радиации (0.3-3 мкм) и еще шесть спектральных каналов. Она использует диапазон IR/WV - 0.940 мкм для определения количества водяного пара в столбе атмосферы. Те же самые принципы, что и в MFRSR, применяются во вращающемся спектрорадиометре с полосой затенения (RSS), но в спектральном диапазоне 0.36-1.050 мкм. В [1, глава 2] предложили простой способ для узкополосных многоспектральных приборов, таких как MFRSR или RSS, для наблюдения частичного покрытия неба в больших географических масштабах. Их метод основан на коэффициенте пропускания облаков на выбранных длинах волн и обеспечивает точность определения балла облачности в дневное время около 90%.

Выводы к 1.3

Приведённый краткий анализ спектрорадиометрической аппаратуры, разработанной и используемой в настоящее время за рубежом, позволяет сделать вывод о важности и актуальности проводимых исследований спектральной и пространственной структуры облачности [1, глава 2].

Следует также отметить тот факт, что практически все зарубежные спектрорадиометрические приборы уступают разработанным нами приборам по чувствительности, пространственному разрешению, быстродействию. К примеру, сканирующий инфракрасный радиометр CIR-7 (Nephelo) имеет пространственное разрешение 12 градусов и обеспечивает сканирование небесного свода, т.е. получение одного кадра изображения за 203 сек.

Сканирующий радиометр Nubiscope с мгновенным полем зрения 3 градуса обеспечивает сканирование небесного свода, т.е. получение одного кадра изображения за 6 минут.

Разработанная нами Автоматизированная система для параметризации и распознавания форм и балла облачности (АСПРФО) [1] имеет пространственное разрешение 10 угловых минут и обеспечивает сканирование небесного свода, т.е. получение одного кадра изображения за 30 сек, а разработанная нами измерительная система для исследований пространственно-временной структуры облачности в спектральном интервале от 8 до 13 мкм на основе многоэлементной матрицы c дополнительным сферическим объективом с пространственным разрешением 20 минут дуги, обеспечивает получение кадра небесного свода в спектральном интервале от 8 до 13 мкм за 20 миллисекунд. Кроме того, нам не известны радиометрические системы, подобные разработанному нами сканирующему радиометру высокого пространственного разрешения на область 1,4-13 мкм с пространственным разрешением в три угловые минуты и с температурной чувствительностью 0,03 К [2].

Созданный в Институте экспериментальной метеорологии ФГБУ НПО "Тайфун" широкоугольный спектрорадиометр на диапазон 0,4-2,9 мкм, запатентованный в 1999 г.[7], предназначенный для определения зонального распределения облачности и балла облачности по спектральному отношению спектральной энергетической яркости был создан на 6 лет раньше, чем французский [1], причем имеет более высокое пространственно разрешение (15 минут дуги), что в несколько раз выше французского, и спектральное разрешение Дл/л?0,01мкм. Кроме того, спектрорадиометр имел дополнительные функциональные возможности: по контролю загрязнений атмосферы выбросами промышленных предприятий, в исследованиях излучений различных летательных аппаратов и других задачах.

Практически все разработанные нами приборы запатентованы в РФ и используются для решения задач Росгидромета и других ведомств.

2. Сравнительный анализ результатов натурных измерений с помощью сетевого регистратора параметров облачности с данными штатных метеорологов

Натурные измерения параметров облачности сетевым регистратором проводились в течение весенне-летне-осеннего периода с апреля по октябрь 2017г. Получено несколько сотен тысяч снимков (720 за каждый час измерений) облачного и безоблачного неба. Для анализа этого массива данных за исключением отдельных бракованных снимков использовалась усовершенствованная программа обработки данных с учетом изменений, внесенных в нее в текущем году. Программа позволяет определять следующие параметры облачности: форму и балл, высоту нижней границы, скорость и направление движения облачных полей. Параметры приведены на рисунке 14.

Рисунок 14 - Интерфейс ПО ИКСИО

Для проверки достоверности полученных аппаратурных параметров облачности по мере возможности было проведено их сравнение с данными, полученными штатными метеорологами ВММ 310 г. Обнинск. Такие данные имеются только для рабочих дней и только в дневное время. В то время как регистратор параметров облачности может работать круглосуточно в автоматическом режиме. В качестве примера, результаты сравнения данных, полученных экспериментальным образцом сетевого регистратора 27-28 июня, 15 и 18 августа 2017г. с данными штатных метеорологов представлены в Таблице 1.

Таблица 1 - Cравнение приборных данных, полученных c помощью сетевого регистратора параметров облачности с данными штатных метеорологов (слева - данные штатных метеорологов - (мет), справа, через косую черту - данные прибора; прочерки обозначают отсутствие данных). Азимут движения отсчитывался от направления на Север

Сравнительный анализ результатов приборных измерений с данными штатных метеорологов показал удовлетворительное согласие по форме, баллу и высоте нижней границе облачности. Хотя по данным регистратора балл облачности почти постоянно чуть ниже данных визуальных наблюдений. Помимо этого, в ясную погоду при визуальном отсутствии облаков на небосводе, т.е. при нулевом балле по данным метеорологов, прибор часто регистрирует перистые (Сi) и перисто-кучевые (Сс) облака в 1балл на высотах 5-7 тысяч метров. Данные о направлении и скорости движения облачности, получаемые регистратором, более надежны для крупных облачных образований (волн, гряд). При небольших баллах облачности параметры движения отдельных облаков приходится усреднять.

Литература

1. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Параметризация структур излучения и эволюции облачности. - Обнинск, 2013. - 168с.

2. Алленов М.И. Параметризация природных сред для их распознавания. - Обнинск, 2011. - 180с.

3. Алленов М.И., Бирюков В.Г., Иванов В.Н. Распознавание природных сред, веществ и их загрязнений. - С-Петербург: Гидрометеоиздат, - 2004. - 268с.

4. Патент № 2414728 (РФ), G 01W1/00, G 01 S 17/95. Способ определения направления и скорости движения нижней границы облачности. / М.И. Алленов, А.В. Артюхов, В.Н. Иванов, Н.Д. Третьяков. Заявлен 22.05.2009г., № 2009119462/28. Опубликован 20.03.2011г. // Бюл. № 8.

5. Патент № 2230299 (РФ), G 01 J 3/28. Спектроанализатор. / М.И. Алленов, В.Г. Бирюков, В.Н. Иванов. Заявлен 20.02.2003г. Опубликован 10.06.2004г. // Бюл. № 16.

6. Патент № 2331853 (РФ), G 01 J 3/06. Устройство распознавания форм облачности. / М.И. Алленов, В.Н. Иванов, Н.Д. Третьяков. Заявлен 13.04.2006г., № 2006112101/28. Опубликован 20.08.2008г. // Бюл. № 23.

7. Патент № 2125250 (РФ), G 01 J 3/28. Широкоугольный спектрорадиометр. / М.А. Алленов, С.А. Богданович, В.Н. Иванов, А.И. Гусев, В.А. Соловьев, Н.Д. Третьяков. Заявлен 11.08.1997г. Опубликован 20.01.1999г. // Бюл. № 2.

8. Патент № 2497159 (РФ) G 01 W 1/00. Способ определения высоты нижней границы облачности. / М.И. Алленов, В.Н. Иванов, Н.Д. Третьяков, В.О. Федоров. Заявлен 22.07.2011г., № 2011130881. Опубликован 27.01.2013г. // Бюл. № 3.