CC BY
98
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УД К 551.578.46(83)
В В. Соколов
ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ДИСТАНЦИОННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО БЕСКОНТАКТНОГО СНЕГОМЕРА «НАСТ»
Показана необходимость автоматизации измерений высоты снежного покрова и дано описание варианта автоматического бесконтактного снегомера «НАСТ» с использованием маломощного лазера инфракрасного диапазона для измерения высоты снежного покрова. Приведены некоторые результаты опытных испытаний снегомера в зимние сезоны в 2010-2012 гг.
Ключевые слова: криосфера, климат, снежный покров, высота снежного покрова, измерительные приборы, лазер, снегомер.
Большую роль в климатической системе Земли играет криосфера. В настоящее время общая площадь, занятая снежным покровом и льдом на Земле, составляет около 100 млн. км2. Около 30 % планетного энергетического баланса приходится на превращения снега и льда, являющиеся результатом взаимодействия атмосферы, суши, океана и криосферы. В природе происходит непрерывный процесс поглощения (при испарении и таянии снега) и выделения (при конденсации и замерзании) значительного количества тепла. Как показывают многолетние гидрометеорологические наблюдения эти процессы влияют на изменения климата через цепь положительных и отрицательных обратных связей. Для изучения хода этих процессов и их прогнозирования необходима хорошо развитая система наблюдений, включающая как сеть наземных наблюдательных постов и станций, оснащенных современными средствами измерений, так и аэрокосмическую составляющую [1; 2].
В последнее время вырос интерес к освоению богатых природными ресурсами районов Арктики, что потребует создания промышленных предприятий и инфраструктуры для их обслуживания. Для освоения этих районов необходимо знать характеристики снежного покрова, залегающего в этих местах значительную часть года. Наблюдения за состоянием снежного покрова в настоящее время производятся на наземной гидрометеорологической сети станций и постов с использованием ручных трудоемких методов, а данные измерений современных аэрокосмических средств, как показывает практика, имеют значительные погрешности и требуют коррекции по результатам наземных измерений.
Традиционными и самыми массовыми инструментами для наблюдения за снежным покровом и его формированием являются простейшие приборы, разработанные в первой половине XX в. [3; 4]. Для измерения высоты снежного покрова, изучения динамики его формирования и таяния на наземной наблюдательной сети Росгидромета используются снегомерные рейки. Для ежедневных наблюдений применяются постоянные, фиксировано установленные рейки типа М-103М, а для маршрутных снегомерных съемок - переносные рейки типа М-104М. Для измерения количества осадков в пересчете на водный эквивалент применяется осадкомер Третьякова О-1, а плотность снега определяется при помощи весового снегомера ВС-43. Простота конструкции, дешевизна изготовления и отсутствие необходимости в электропитании выгодно отличают указанные средства измерений от современных приборов, однако полное отсутствие возможности автоматизации измерений и сравнительно низкая точность ограничивают их применение для решения задач настоящего времени.
Задача автоматизации процесса метеонаблюдений требует создания автономных приборов, позволяющих в автоматическом режиме осуществлять мониторинг состояния снежного покрова с обеспечением удаленного съема результатов в режиме реального времени.
Поэтому задача автоматического измерения высоты снежного покрова становится все более актуальной в последнее время. Хорошо известные приборы с ультразвуковыми или индуктивными электромагнитными датчиками не предназначены для работы в условиях свежевыпавшего снега из-за его низкой плотности и, следовательно, отсутствия четкой границы по плотности между снегом и воздухом [5]. По этой причине ультразвуковые и индуктивные снегомеры могут применяться только при замерах на плотных (спрессованных) слоях снега. При этом возможности инфракрасных датчиков выглядят недооцененными. К сожалению, очень широко распространенные в строительстве дешевые лазерные дальномеры не могут использоваться для регулярных измерений высоты снега. Проблемы у этих приборов появляются во время снегопадов, из-за чего возникают неизбежные ошибки
измерений. Причина таких ошибок заключена в физическом принципе работы лазерного измерителя, применяемого в строительстве и основанного на генерации коротких импульсов и измерении времени задержки отраженного светового импульса для определения расстояния.
В качестве варианта прибора для измерения высоты снежного покрова был выбран снегомер «НАСТ», в котором использованы преимущества инфракрасных световых сигналов, позволившие избежать проблем, которые являются общими для приборов, генерирующих световые импульсы. Были проведены опытные испытания измерителя с инфракрасным маломощным лазером непрерывного излучения, закрепленным на направленной вниз сканирующей платформе. Приемник излучения установлен в плоскости сканирования на расстоянии двух метров от сканирующего лазера, что позволяет рассчитывать угол между линией уровня установки лазера и уровнем отражающей снежной поверхности и определить ее высоту.
В качестве полигона для проведения опытных испытаний дистанционного автоматического бесконтактного снегомера «НАСТ» была выбрана метеоплощадка Волжской ГМО (г. Городец Нижегородской обл.), расположенная в зоне с умеренно-континентальным климатом и продолжительным холодным периодом года. Снежный покров в этом районе обычно устанавливается в первой декаде ноября и разрушается в середине апреля. Средняя климатическая норма осадков составляет в ноябре
- 51,5 мм, декабре - 44,3 мм, январе - 41,0 мм, феврале - 30,2 мм, марте - 27,2 мм. Среднемесячная температура воздуха в ноябре составляет - 2,6 °С, декабре - 8,3 °С, январе - 12 °С, феврале - 10,3 °С, марте - 4,3 °С, апреле + 4,5 °С. Высота снежного покрова колеблется от 30 до 60 см в зависимости от количества осадков [6; 7]. На рис. 1 показано распределение высоты снежного покрова в ВерхнеВолжском регионе по состоянию на 31.03.2011г. (по данным стандартных наблюдений).
Рис. 1. Распределение высоты снежного покрова в Верхне-Волжском регионе на 31.03.2011 г.
Из приведенных данных следует, что климатические условия холодного периода года в Волжской ГМО характерны для средней полосы России и позволяют оценить работу снегомера «НАСТ» в условиях долгой снежной зимы.
Принцип работы снегомера
В снегомере использован серийный ИК лазер и цифровой инклинометр с низким энергопотреблением. Измерения производятся определением параметров треугольника:
1 - лазер установлен на вращающейся платформе (2 м над землей), позволяющей осуществлять сканирование от надира до горизонта;
2 - инклинометр также установлен на этой движущейся платформе;
3 - фотодиод установлен на расстоянии 2м по горизонтали и направлен в надир в плоскости развертки лазерного луча;
4 - по мере того, как фотодиод обнаруживает лазерный свет, отраженный от снега, угол инклинометра записывается в течение всего периода фиксации диодом сигнала, таким образом, измеряются первый и последний угол. Процедура повторяется во время обратного вращения платформы, что обеспечивает еще два измерения угла.
Схематическая иллюстрация работы устройства снегомера представлена на рис. 2.
Рис. 2. Иллюстрация принципа работы снегомера
Порядок расчета высоты снежного покрова описывается следующими выражениями:
_ (а1 + а2 + а3 + а4)
а =
ОУвГ
4
а
где ауег - средний угол; — а 4
Н
а — а
1 4 - четыре угла, измеренные инклинометром;
разница между высотой установки лазера и уровнем снежного покрова; L - расстояние по горизонтали между лазером и фотодиодом;
Н
Н
- глубина снега; высота установки устройства над землей.
(1)
(2)
(3)
При разработке прибора учтено, что этот метод измерений, с использованием лазера непрерывного излучения и определения среднего угла из серии 4 измерений, позволяет полностью избежать влияния случайного рассеяния из-за падающих хлопьев снега.
Конструкция устройства снегомера
Устройство снегомера состоит из двух основных блоков: 1 - сканирующего лазера и устройства обработки результатов, 2 - блока фотодиода. Оба этих блока крепятся к горизонтальной твердой алюминиевой трубе, таким образом, в исходном положении оптическая ось фотодиода и сканирующего лазера направлены строго вертикально вниз. Затем блок сканирующего лазера регулируется в горизонтальной плоскости, чтобы плоскость сканирования была строго перпендикулярна земле.
Сканирующий лазер и устройство обработки состоят
- из шагового двигателя с редуктором замедления;
- безлюфтовой шестерни с ИК-лазером и инклинометром, установленными на ней;
- панели электронного процессора для управления ходом измерений и расчета данных.
Все вышеупомянутые части размещены внутри блока с термоизолирующей крышкой. Эта крышка совмещена с нагревательными элементами, обеспечивающими работу при температуре до -50 °С. Передача энергии лазерного излучения осуществляется через специальное окно, прозрачное для ИК-излучения, которое встроено в блок со стороны фотодиода.
Блок фотодиода смонтирован в виде прямоугольной трубы. В нижней части трубы установлен коллиматор с объективом. В верхней части трубы установлен инфракрасный фотодиод и предварительный усилитель. Внутри трубы также есть термоизоляция и нагреватели для обеспечения надежной эксплуатации до -50 °С. Общий вид действующего снегомера показан на рис. 3.
Рис. 3. Общий вид снегомера на метеорологической площадке в Волжской гидрометеорологической
обсерватории
Результаты полевых испытаний снегомера
В ходе опытных испытаний, проведенных весной 2010 г. и в течение зимних сезонов 2011-2012 гг., были получены результаты как с помощью снегомера, так и организованных учащенных стандартных наблюдений за высотой снежного покрова, что позволило получить статистически достоверные ряды данных и осуществить их сравнения. Снегомер «НАСТ» был установлен на расстоянии около 20 м от стандартных средств наблюдений, включающих автоматизированный метеорологический комплекс, измеряющий скорость и направление ветра, относительную влажность воздуха, температуру и атмосферное давление. Кроме того, на метеорологической площадке в 5 м от снегомера были установлены три стандартные снегомерные рейки М-103М, являющиеся простейшим инструментом измерений с делениями через 1 см. Измерения высоты снежного покрова в обычном
режиме производятся наблюдателем простым визуальным отсчетом ближайших отметок на рейке «к видимому» уровню снега [4]. Дело в том, что уровень снега возле снегомерной рейки часто не равен реальному уровню снега в наблюдаемом месте, так как если снегопад прошел недавно, то снег вокруг рейки образует небольшой холм. Если же снег прошел несколько дней назад, то вследствие радиационного нагревания рейки снег вокруг нее тает, и образуется некоторое углубление. Из-за этого процедура стандартных измерений носит субъективный характер. Вторым важным моментом является временное разрешение измерения. При стандартных наблюдениях измерения высоты снежного покрова проводятся один раз в 24 ч, а измерения с помощью автоматического снегомера через 10 мин. Такие учащенные измерения позволяют наблюдать изменения высоты снежного покрова в реальном времени. Поскольку особый интерес был в исследовании периода таяния снега (март-апрель), были организованы дополнительные учащенные измерения высоты снежного покрова по трем рейкам через каждые 3 ч для сравнения с измеренными данными при помощи снегомера. И третий момент -учет особенностей местных ветров, создающих снежные вихри и обычно существующих из-за рельефа местности. Благодаря этому, распределение и накопление снега может существенно отличаться даже на расстоянии около десятых долей метра. Чтобы компенсировать этот фактор, как правило, используются три снегомерных рейки с диспозицией в десять метров одна от другой, и в качестве текущего значения высоты снежного покрова принимается среднее значение из этих трех измерений.
Первые результаты сопоставлений автоматических дистанционных измерений высоты снежного покрова и стандартных визуальных измерений представлены на рис. 4.
1 - Рейка 1
2 - Рейка 2
3 - Рейка 3
4 - Среднее
5 — Снегомер
Рис. 4. Результаты сравнительных непрерывных измерений процесса таяния снега, проведенных с помощью дистанционного снегомера и трех снегомерных реек: по вертикали указана высота снежного покрова в мм, по горизонтали - период проведения измерений
Как видно из рис. 4, даже опытный образец снегомера продемонстрировал способность надежной работы с точностью в несколько мм.
На рис. 5 представлены синхронные записи данных датчика жидких осадков «Капля» и дистанционного снегомера «НАСТ».
Результаты опытных испытаний показали правильность выбранного для измерений физического принципа, надежность и соответствие заложенным техническим характеристикам, использование дешевых комплектующих элементов. Широкое применение снегомера «НАСТ» позволит обеспечить
автоматический непрерывный мониторинг характеристик снежного покрова с возможностью передачи по сети Интернет результатов измерений пользователям этой информации, что позволит повысить оперативность и качество ее получения и снизить трудоемкость наблюдений.
В зимний период 2012-2013гг. жилищно-коммунальная служба Нижнего Новгорода использовала в своей работе результаты измерений высоты снежного покрова с помощью двух снегомеров «НАСТ», специально приобретенных для этой цели.
в
5
4
3
2
0
Рис. 5. Синхронизированные данные серии измерений дистанционного снегомера и датчика жидких осадков «Капля»: 1 - округл.; 2 - земля, 3 - дождь, 4 - 5-линейный фильтр (округл.)
Климатические изменения за последние десятилетия характеризуются ростом среднегодовой температуры воздуха, что в свою очередь связано с увеличением количества твердых осадков и их интенсивности, а, следовательно, с изменением режима увлажнения. Анализ данных об изменении снего-запасов обычно опирается на результаты наземных измерений. Данные о величине снегозапасов важны при решении разнообразных практических задач: прогнозирования паводков, водохозяйственных расчетов, обеспечения работы автотранспорта и сельского хозяйства, обеспечения эксплуатации инженерных сооружений. Использование для измерений дистанционного автоматического бесконтактного снегомера «НАСТ» может, как показывают результаты проведения его опытных испытаний, надежно обеспечить решение задач, связанных с формированием снежного покрова и его характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дюнин А.К. В царстве снега. Новосибирск: Наука, 1983. 160 с.
2. Снег: справочник / под ред. Д.М. Грея. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 751 с.
3. Копанев И.Д. Методы изучения снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 226 с.
4. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3, ч. 1: Метеорологические наблюдения на станциях. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 210 с.
5. Кузьмин И.Д. Физические свойства снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 179 с.
6. Климат Нижнего Новгорода. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 168 с.
7. Терентьев А.А., Колкутин В.И. Климат конца XX века в средней полосе Нижегородской области. Н. Новгород: Вектор-ТиС, 2004. 374 с.
Поступила в редакцию 07.02.13
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
V. V. Sokolov
Field tests of remote unmanned snow depth sensor «Nast»
The necessity of automotive measurements of the snow depth is shown. The description of one realization of unmanned remote snow depth sensor with the name “Nast” is presented. The principle of operation of the snow depth sensor is based on the use of scanning micro power infrared laser. The main advantage of the presented realization is in exploitation of continuous mode of radiation instead of the pulse one. The results of the field tests of the snow depth sensor during winter seasons within the period 2010-2012 are presented.
Keywords: planetary cryogenics, climate, snow pack, snow depth, snowfall, tools of measurements, laser, snow gauge.
Соколов Владимир Владимирович, руководитель департамента Департамент Росгидромета по ПФО
603950, Россия, г. Нижний Новгород, ГСП-1, ул. Бекетова, 10 E-mail: drhm-pfo@meteo.nnov.ru
Sokolov V.V., head of department
Volga Federal District Department of Roshydromet Meteorological Agency 603950, Russia, N. Novgorod, Beketova st., 10 E-mail: drhm-pfo@meteo.nnov.ru
