Базовий масив аерологічних даних «АЕРОСТАС» і його похідні продукти для потреб прикладної Аерокліматологія

А. В. Хохлова ФГБУ «Всеросійський науково-дослідний інститут гідрометеорологічної інформації - Світовий центр даних», Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. У вас повинен бути включений JavaScript для перегляду.

Загальна інформація про масивах аерологічних спостережень

Багаторічні історичні аерологічні дані потрібні як для наукових досліджень з питань клімату вільної атмосфери, так і для вирішення різних прикладних задач. Необхідність в аерологічних і аерокліматичні даних виникає при проектуванні льотних конструкцій, при аналізі екстремальних ситуацій, для оцінок з вітроенергетики і ін. Виконання таких робіт може проводитися як із застосуванням модельних даних або даних реаналіза, так і на основі історичних аерологічних даних. Накопичення історичної аерологічної інформації ведеться в ряді кліматичних центрів, в тому числі в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» (масиви «Аеростаб», «Аеростас» [1 - 3]) і Національному центрі кліматичних даних США (масив IGRA [4]). Масиви формуються на основі одних і тих же даних спостережень, які виконуються мережею аерологічних станцій. Загальна схема обробки даних після надходження їх в центр включає розкодування, контроль і запис в структуровані файли. Однак в різних центрах ці завдання вирішуються по-різному. Основними відмінностями масивів «Аеростас» і «Аеростаб» від масиву IGRA є принципи контролю (кліматичний контроль в масиві IGRA і комплексний контроль в масивах «Аеростаб» і «Аеростас»), структура і формат файлів. Масиви також мають відмінності за складом станцій і періоду спостережень.

Створення російського архіву аерологічних даних почалося в 50-і роки минулого століття. Спочатку технічним носієм були перфокарти. Технологія формування розвивалася разом з розвитком обчислювальної техніки та інформаційних технологій. Починаючи з 1978 р створення і поповнення глобального масиву термінових радіозондових спостережень (масив «Аеростаб») стало проводитися на основі телеграм, що надходять по каналах зв'язку в Середньоазіатському регіональному обчислювальному центрі (САРВЦ, м Ташкент). У 1992 р система збору поточної аерологічної інформації з каналів зв'язку почала функціонувати у ВНИИГМИ-МЦД на основі ЕОМ серії ЄС. Починаючи з 1995 р система збору, обробки та архівації аерологічної інформації, яка функціонує у ВНИИГМИ-МЦД, була переведена на ПЕОМ. До 2011 р масив мав бінарний формат. У 2010 р в зв'язку з переходом на нову технологію архівації даних, що надходять по каналах зв'язку, був розроблений новий формат масиву [3]. Новий формат є символьним і включає ряд нових елементів, що відбивають метадані станцій. Символьний формат є більш зручним для сприйняття і обробки. Починаючи з 2011 р архівація аерологічних даних ведеться в цьому форматі і масив називається «Аеростас».

В створення і розвиток системи збору, обробки та накопичення аерологічних даних внесли значний вклад М. З. Шаймарданов, Р. Г. Рейтенбах, В. Д. Казначеєва, Г. В. Вантажу, В. В. Майстрова, Т. С. Нагорна , В. А. Оржеховська, А. О. Алдухов, А. М. Стерин, Т. В. Руденкове, Б. Г. Шерстюк, І. В. Черних та багато інших. В даний час прийом, обробка і накопичення даних ведеться за участю співробітників ФГБУ «ВНІІГМІМЦД» з декількох підрозділів.

Паралельно зі створенням масиву розвивалися і вдосконалювалися методи і технології контролю якості аерологічної інформації [5 - 7].

Масив «Аеростас»

Масив «Аеростас» є продовженням масиву «Аеростаб» і також створюється за автоматизованої технології на основі даних, що надходять по каналах зв'язку з Глобальної системи телезв'язку (ГСТ). Обидва масиву разом включають аерологічні дані з 1978 року по теперішній час для російських станцій і з 1984 по теперішній час - для зарубіжних. Масиви організовані у вигляді файлів, змістом яких є термінові аерологічні дані по всіх станціях земної кулі за один місяць. Суднові спостереження за кожен місяць збираються в окремий файл.

У процесі створення архівного файлу аерологічні дані проходять процедуру комплексного контролю якості, включаючи гідростатичний, горизонтальний і вертикальний контроль якості. Після проходження контролю якості кожному метеоелементов масиву присвоюється ознака якості. Значення, які може приймати ознака якості, наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Значення ознак якості аерологічних даних в масиві

Значення ознаки якості

Якість значення метеоелементов

0

Значення не контролював

1

правильне значення

2

сумнівне значення

3

помилкове значення

4

Виправлене в процесі контролю (замість помилкового)

5

Відновлене при контролі значення (замість відсутнього)

9

Ознака відсутності значення

Кожне зондування є записом з знаковою і змінної частинами. Знакова частина запису складається з елементів:

• довжина запису
• Синоптичний індекс станції або радіопозивні судна
• рік
• місяць
• день
• Термін спостереження за ВСВ, годинник
• Дійсний час випуску радіозонда по ВСВ, годинник і хвилини
• Широта зі знаком
• Довгота зі знаком
• Номер квадрата Марсдена
• Квадрант земної кулі
• Цифра одиниць градусів широти
• Цифра одиниць градусів довготи
• Індекс джерела даних (вид спостереження)
• Лічильник поверхонь.

Змінна частина запису складається з груп постійної довжини і містить власне дані спостереження радіозонда (радіопілота) на:

• рівні землі;
• стандартних изобарических поверхнях (рівні 1000; 925; 850; 700; 500; 400; 300; 250; 200; 150; 100; 70; 50; 30; 20; 10; 5 гПа);
• рівнях Тропопауза;
• рівнях особливих точок по температурі і вологості;
• рівнях особливих точок за вітром;
• рівнях максимального вітру.

Рівні зондування (крім рівня максимального вітру) містять основні елементи спостережень: тиск повітря, геопотенціальною висоту рівня, температуру повітря, дефіцит точки роси, напрямок вітру і скалярну швидкість вітру. Основні елементи рівня спостереження супроводжуються характеристикою якості Q. Для кожного рівня зондування вказується його тип у вигляді коду (табл. 2).

Таблиця 2. Кодування типів рівнів аерологічних даних

код

характеристика рівня

01

Приземний рівень, але не стандартний (по тиску або висоті)

02

Рівень особливих точок по температурі і вологості, але не стандартний

03

Рівень Тропопауза, але не стандартний (по тиску або висоті)

04

Рівень особливих точок за вітром, але не стандартний

05

Рівень максимального вітру

09

Стандартний рівень по висоті (для радіопілотов)

10

Стандартний рівень (тільки по тиску або висоті)

11

Рівень поверхні землі і стандартний рівень (по тиску або висоті)

12

Рівень особливих точок по температурі і вологості і стандартний рівень (по тиску або висоті)

13

Рівень Тропопауза і стандартний рівень (по тиску або висоті)

14

Рівень особливих точок за вітром і стандартний (по тиску або висоті)

До теперішнього часу загальний обсяг масиву складає близько 30 Гб, щомісяця надходять дані приблизно з 900 аерологічних станцій.

Дані 12 російських станцій, що входять в Глобальну систему спостережень за кліматом (ГСНК), і аерокліматичні характеристики по цих станцій представлені у відкритому доступі на сайті ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» ( http://meteo.ru/data/167radiosonde-observations ).

аерокліматичні продукція

Накопичені до теперішнього часу дані є базою для проведення дослідних робіт в області Аерокліматологія і для отримання аерокліматичні продукції. Із застосуванням цих даних виконано велику кількість дослідницьких робіт у галузі Аерокліматологія, присвячених аналізу кліматичних характеристик метеоелементов у вільній атмосфері в різних регіонах, кореляційної структурі [7 - 10 та ін.]. І.В. Черних розроблений метод визначення характеристик хмарних шарів за даними аерологічних зондування і отримані кліматичні характеристики відновленої хмарності [11].

Крім багаторічних трендів середніх значень становить особливий інтерес дослідження мінливості клімату. При незмінних середніх значеннях мінливість може проявлятися в розмаху процесів, в зміні характерних периодичностей, в зміні розподілів. Для оцінки мінливості розробляються і застосовуються різні методи, в тому числі метод квантільной регресії [12, 13].

При проектуванні різних об'єктів виникає необхідність мати різноманітні аерокліматичні продукти, що характеризують атмосферу в шарі до 30 км. Аерокліматичні продукція може бути різна по просторовим і тимчасовим характеристикам: глобальні або регіональні оцінки, постанційне дані або дані на регулярній сітці, на стандартних изобарических поверхнях, на геометричних висотах або в шарах, багаторічні або погодичние аерокліматичні характеристики і т. Д. Зазвичай до складу аерокліматичні продукції входять середні і екстремальні значення метеоелементов, среднеквадратические відхилення та інші характеристики розподілів, які визначаються по зад анному періоду часу. Статистичні величини визначаються не тільки для вимірюваних метеоелементов, але і для розраховуються, таких як компоненти швидкості вітру, відносна, абсолютна і питома вологість, щільність повітря. Крім вимірюваних і розраховуються величин це можуть бути метеорологічні характеристики і явища: висота ізотерм, струменеві течії, інверсії, градієнти температури і вологості, зрушення вітру, бовтанка, турбулентність, ймовірність обмерзання і ін.

На основі аерологічних даних, накопичених в масивах, за запитами споживачів виконуються роботи по розрахунку та аналізу аерокліматичні продукції. На рис. 1 - 4 наведено кілька прикладів, що ілюструють аерокліматичні продукцію за швидкістю вітру, отриману в рамках виконання робіт. На рис. 1 показаний вертикальний профіль багаторічної середньої швидкості вітру на геометричних висотах до 30 000 м. Крім середніх значень тут нанесені дисперсії, медіани, мінімальні і максимальні значення.

На рис. 2 дан річний хід багаторічної середньої швидкості тропосферного струменевої течії за даними трьох станцій. Наявність струменевої течії визначалося за умовою наявності швидкості вітру не менше 28 м / с в шарі від верхньої межі прикордонного шару (приблизно 1500 м) до Тропопауза (16 000 м). Максимальні середні швидкості мають річний хід, досягаючи максимуму в зимовий період і слабшаючи в літній.

На рис. 3 дана багаторічна повторюваність напряму вітру (роза вітрів) з градаціями за величиною швидкості вітру, отримана за багаторічними даними для нижнього шару атмосфери для станції 47590 (Сендай). Рози вітрів за даними станцій в околиці АЕС Фукусіма були отримані для оцінки напрямку переважаючих вітрів.

На рис. 4 показана роза вітрів на рівні 35 м від рівня землі для станції 31510 (Благовєщенськ), отримана в припущенні логарифмічного закону зміни швидкості вітру з висотою. Оцінки швидкості вітру в приземному шарі до висот в декілька десятків метрів становлять значний інтерес, у тому числі для потреб вітроенергетики, тому зупинимося більш детально на способі визначення вектора швидкості вітру на заданій висоті в цьому шарі по аерологічними спостереженнями. Відомо, що швидкість вітру істотно змінюється з висотою в приземному шарі атмосфери. Для оцінки зміни значення швидкості вітру по висоті використовуються різні моделі:

логарифмический закон або статечної закон [14, 15]:

V = V f · (H / h f ) A,

V = V f · Ln (h / k 0) / ln (h f / K 0).

Тут V - швидкість вітру на висоті h; V f - швидкість вітру на висоті флюгера h f ; a - показник ступеня; k 0 - параметр шорсткості.

Мал. 1. Вертикальний профіль багаторічної середньої швидкості вітру на геометричних висотах з дисперсіями (прямокутники), медианами (ромби), мінімальними і максимальними значеннями. Станція 04202, червень

Мал. 2. Річний хід багаторічної середньої швидкості струменевої течії на трьох станціях: 1 - станція 02935; 2 - станція 02963;

3 - станція 03005

Мал. 3. Багаторічна повторюваність напрямків швидкості вітру за даними аерологічної станції 7590 з градаціями за величиною швидкості. Стандартна ізобаричної поверхні 850 гПа, травень. Цифрами на осі позначена повторюваність (%). 1 - швидкість вітру 0 - 5 м / c, 2 - швидкість вітру 5 - 10 м / c, 3 - швидкість вітру більше 10 м / с, 4 - всі випадки

Мал. 4. Багаторічна повторюваність швидкості вітру за напрямками на станції 31510 за весь період спостережень, рівень висоти 35 м. Цифрами на осі позначена повторюваність (%)

Ці моделі дозволяють оцінити швидкість вітру V на висоті h, якщо відома швидкість вітру V0 на висоті h0, при цьому параметри моделей беруться за наявними оцінками [14 - 16]. Для визначення швидкості вітру на заданому рівні 35 м використовувався наступний алгоритм. Для кожного терміну спостережень вибиралися два рівня поблизу поверхні землі з відомими даними по швидкості вітру і висоті. Вибір рівнів, за якими здійснювалася інтерполяція, робився з урахуванням якості даних на цих рівнях і ряду інших умов. У припущенні, що зміна швидкості вітру відбувається за степеневим або логарифмічною закону, за даними про швидкість вітру на цих двох рівнях розраховувалися параметри обраної моделі (показник ступеня або параметр шорсткості). Далі на основі обраної моделі і розрахованого параметра проводилося визначення швидкості вітру на рівні інтерполяції (35 м). Для станції «Благовєщенськ» середній по всьому періоду спостережень показник ступеня a становить 0,32, середній параметр шорсткості k0равен 2,2. Ці значення узгоджуються із загальноприйнятими. Напрямок швидкості вітру інтерпольованого лінійно по висоті, при цьому передбачалося, що перехід напрямки відбувається через кут, менший 180 °. Розроблено також спосіб визначення напрямку на заданому рівні з використанням моделі Екмана для швидкості вітру в прикордонному шарі.

Після виконання розрахунків і отримання тимчасового ряду швидкості вітру на заданому рівні (35 м) для кожного терміну, для якого можливо зробити інтерполяцію, був проведений розрахунок рози вітрів, тобто повторюваності швидкості вітру на цьому рівні за напрямками з кроком 20 ° в декількох діапазонах значень швидкості вітру.

Перспективи розвитку

У зв'язку з розвитком систем аерологічних спостережень і переходом Глобальної системи телезв'язку на таблично-орієнтовані кодові форми [17] необхідно подальший розвиток технології створення масиву аерологічних спостережень. У нових кодових формах є велика кількість елементів, яких не було в телеграмах раніше. Сучасні вимірювальні системи дозволяють виконувати вимірювання метеорологічних елементів кожні 5 - 10 с, що забезпечує високу вертикальне дозвіл. Дані кожного рівня супроводжуються географічними координатами, що є принциповою відмінністю від попередніх вимірювань, в яких спостереження на висотах ставилися до координат точки випуску зонда. На рис. 5 і 6 наведено приклад профілів зміщення географічного положення радіозонда D щодо початкового положення і швидкості вітру, отриманих за даними високого вертикального дозволу в таблично-орієнтованих кодах з судна ASDE04 за термін 00 годин 01.09.2014. У профілі 716 рівнів.

Наявність таких даних дозволить значно детальніше дослідити структуру атмосфери. Разом з тим це вимагає створення нової технології архівації та контролю аерологічних даних для формування масивів аерологічної інформації.

Мал. 5. Зміщення положення радіозонда D з висотою по широті (суцільна лінія) і довготі (пунктир) за даними високого вертикального дозволу. Спостереження на судні ASDE04 за 00 годин 01.09.2014

Мал. 6. Профіль швидкості вітру за даними високого вертикального дозволу. Спостереження на судні ASDE04 за 00 годин 01.09.2014

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Казначеєва В. Д., Коротков А. П., Нагорна Т. С., Руденкове Т. В. Організація інформаційної бази даних аерологічніх СПОСТЕРЕЖЕНЬ (ГМБД «аерології») // Праці ВНИИГМИ-МЦД. Обнінськ. 1980. Вип. 81. С. 3 - 42.
2. Казначеєва В. Д., Руденкове Т. В. Організація потокової аерологічніх Даних на магнітніх стрічках ЄС // Праці ВНИИГМИ-МЦД. Обнінськ. 1985. Вип. 115. С. 91 - 108.
3. Руденкове Т. В. Формат архівації потокової аерологічніх Даних, что надходять по каналах зв'язку для ПЕОМ // Праці ВНИИГМИ-МЦД. Обнінськ. 2010. Вип. 174. С. 41 - 63.
4. Durre I., Vose RS and Wuertz DB Overview of the integrated global radiosonde archive // ​​J. Clim. 2006. Vol. 19 (1). P. 53 -68.
5. Алдухов О. А. Комплексний контроль аерологічніх Даних ПГЕП уровня I // Метеорологія та Гідрологія. 1983. № 12. С. 94 - 102.
6. Алдухов О. А. Комплексний контроль геопотенциала и температури в архівах аерологічної информации // Праці ВНИИГМИ-МЦД. Обнінськ. 1985. Вип. 131. С. 34 - 63.
7. Алдухов О. А., Черних І. В. Методи АНАЛІЗУ та інтерпретації Даних радиозондирования атмосфери. Т. 1. Контроль якості та Обробка даних. Обнінськ, ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2013. 306 с.
8. Стерин А. М., Алдухов О. А., Бадашова Л. Ф., Булигіна О. Н., Тимофєєв А. А., Черних І. В., Хохлова А. В. Основні тенденції змін клімату в атмосфері над Калузьким регіоном (емпірико-статистичний аналіз) // Праці регіонального конкурсу наукових проектів в галузі природничих наук. Калуга. 2007. Вип. 11. С. 486 - 505.
9. Козлова Л. Ф. Оцінки багаторічної мінливості показників Тропопауза над територією РФ // Щомісячний науковий журнал «Молодий науковець». 2010. Т. 1, № 12. С. 60 - 64.
10. Хохлова А. В., Тимофєєв А. А. Багаторічні зміни вітрового режиму в вільній атмосфері над Європейською територією Росії // Метеорологія та гідрологія. 2011. № 4. С. 21 - 33.
11. Алдухов О. А., Черних І. В. Методи аналізу та інтерпретації даних радиозондирования атмосфери. Т. 2. Відновлені хмарні шари. Обнінськ, ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2013. 151 с.
12. Тимофєєв А. А., Стерин А. М. Застосування методу квантільной регресії для аналізу змін характеристик клімату // Метеорологія та гідрологія. 2010. № 5. С. 27 - 41.
13. Sterin AM, Timofeev A. Long period trends in time series for study of climate variability and extremality // Book of abstracts. 13th EMS Annual Meeting & 11th European Conference on Applications of Meteorology (ECAM). Reading, United Kingdom. 09 - 13 September 2013.
14. Гладкий В. Ф. Динаміка конструкції літального апарату. М .: Наука, 1969. 496 c.
15. Хргіан А. Х. Фізика атмосфери. М .: Московський університет, 1986. 328 c.
16. Богаткина О. А. Авіаційна метеорологія. СПб .: РГГМУ, 2005. 328 с.
17. Повчання по кодам. Міжнародні коди. Том I.2 (Додаток II до Технічного регламенту ВМО). Частина В. Двійкові коди. Частина С. Загальні елементи довічних і буквено-цифрових кодів. ВМО-№ 306. Женева: ВМО, 2011/12. 844 с.