Перспективы развития метеорологической измерительной техники

Развитие метеорологической измерительной техники в настоящее время идет в трех основных направлениях: совершенствование существующих датчиков, совершенствование методов обработки сигнала, поиск принципиально новых способов измерения метеорологических величин. Наиболее фундаментальным является третье направление. На рубеже XX – XX1 веков наиболее перспективным является лазерное зондирование атмосферы. Поэтому при изучении настоящего раздела основное внимание следует уделить лазерным системам зондирования.

Рассмотрите принцип действия лазера и возможности его использования для метеорологических измерений. Для этого разделите задачу на две части – техническую сторону и математическую (расчетную) часть задачи. Прежде всего рассмотрите физические принципы измерения метеорологических величин с помощью лазера. Подробно рассмотрите применение метода комбинационного рассеяния света (КРС) для лазерного зондирования атмосферных газов. Обратите внимание на технические трудности реализации подобного метода. Рассмотрите возможность применения метода КРС для измерения влажности, атмосферного давления и температуры. Вспомните о возможности применения лазеров для измерения скорости ветра.

Рассмотрите в общих чертих устройство лидаров – метеорологических лазерных локаторов.

Далее переходите к математической части задачи лазерного зондирования атмосферы. Рассмотрите прямую и обратную задачи. Обратите внимание на то, что если прямая задача разрешима почти всегда, то для решения обратной задачи иногда приходится вводить дополнительные приближения или задавать некоторые параметры. Укажите на перспективу использования лидаров на ИСЗ и возможность глобального спутникового мониторинга атмосферы в более-менее отдаленном будущем.

Л и т е р а т у р а

[1], гл.9.

Вопросы для самопроверки

1. Какие параметры лазеров делают их привлекательным инструментом для атмосферной локации?

2. Нарисуйте по памяти основную схему метеорологического лидара.

3. Что такое метод КРС и какие атмосферные параметры могут быть измерены на его основе? В чем состоят технические сложности его применения?

4. Какое физическое явление лежит в основе лазерного зондирования скорости ветра?

5. Что такое прямая и обратная задачи?

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Общие указания

Рекомендуется выполнять задания контрольной работы после проработки соответствующих разделов рекомендованной литературы или после прослушивания лекций-вебинаров. При выполнении работ студент обязан дать четкие, ясные ответы на все поставленные вопросы и решить все поставленные задачи. Необходимо максимально иллюстрировать свою работу рисунками, графиками и схемами. Каждое утверждение должно быть доказано, каждая величина, указанная в формулах должна быть пояснена в тексте. Не допускается прямое переписывание текста учебников. При выполнении контрольной работы желательно ссылаться на примеры из Вашего собственного опыта работы. Очень желательно привести Ваше мнение о работе приборов, которые Вы описываете в тексте контрольных работ.

Объем контрольной работы составляет 20 – 25 страниц рукописного текста с учетом рисунков. Контрольные работы присылаются в Университет во время учебного года или сдаются в ФЗО перед сессией.

Задание 1

Поясните смысл понятия «коэффициент тепловой инерции термометра». Выведите формулы (1) и (2), приведенные в разделе 2 на с. 7 настоящего «Методического Указания».

Задание 2

Радиус шарообразного резервуара ртутного термометра равен R, температура окружающей среды равна θ, начальная температура термометра равна T_o, а погрешность измерений не должна превышать ΔT. Пользуясь формулами (1) и (2), рассчитайте коэффициент тепловой инерции термометра и время его выдержки в окружающей среде перед снятием показаний. Варианты задачи сведены в таблицу 1. Требуемый вариант определяется начальной буквой фамилии студента. Так, например, вариант первый должны выполнять студенты, фамилии которых начинаются с букв от А до Д, вариант второй – от Е до К и т.д.

Таблица 1

Исходные параметры	В а р и а н т ы
А - Д	Е - К	Л - П	Р - Ф	Х - Я
R, мм	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5
θ, К
To, К
ΔT, К	0,1	0,2	0,1	0,2	0,1

Задание 3

Опишите принцип действия уравновешенного и неуравновешенного термометров сопротивления. Приведите соответствующие схемы с пояснениями. Что Вы понимаете под чувствительностью этих приборов? Перечислите погрешности уравновешенного и неуравновешенного термометров сопротивления и способы уменьшения этих погрешностей.

Задание 4

Опишите принцип действия психрометра. Как Вы понимаете термин «идеальный психрометр»? Как изготовить психрометр, близкий по своим свойствам к идеальному?

Задание 5

Какими параметрами характеризуется эффективность работы ротоанемометров? Что следует понимать под чувствительностью ротоанемометра? Каким параметром характеризуется инерция ротоанемометра? Приведите примеры ротоанемометров, использующихся в метеорологических приборах.

Задание 6

Опишите устройство и принцип действия актинометра, пиранометра и балансомера. Дайте определение понятию «радиационный баланс».

Задание 7

Опишите устройство светолокационного измерителя высоты облачности ИВО-1м. Нарисуйте блок-схему прибора ИВО-1м с пояснением функции каждого блока прибора.

Задание 8

Опишите устройство прибора ФИ-1 для измерения метеорологической дальности видимости. Какие особенности прибора ФИ-1 позволяют вести измерения в дневное время суток? Почему дневной свет, попадающий на фотоприемник ФИ-1, не мешает измерениям?

Для чего в импульсном фотометре используются два отражателя? При каких погодных условиях используется дальний или ближний отражатель?

Задание 9

Что Вы понимаете под термином «информационно-измерительная метеорологическая система»? Какие особенности станции КРАМС позволяют отнести её к ИИМС? Изобразите блок-схему станции КРАМС (КРАМС-М, или КРАМС-2 илиКРАМС-4) и поясните её, следуя книге [1] и [4,5].

Задание 10

Какие особенности лазеров делают их особенно привлекательным инструментом для метеорологических измерений? Какие атмосферные параметры можно измерить с помощью лазеров? Какие физические явления являются основой этих измерений? Укажите трудности практической реализации лазерных измерений.

КУРСОВЫЕ РАБОТЫ

Тема курсовой работы согласовывается с преподавателем. При этом студент получает от преподавателя указания по выполнению работы. Готовая курсовая работа сдается на кафедру во время сессии.

Приведенные темы являются обзорными, при выполнении которых студент должен составить возможно полное описание способов измерения соответствующей метеорологической величины, пользуясь литературой и сведениями, почерпнутыми из Интернета (рекомендуется использовать поисковые системы, вводя в строку поиска название исследуемой величины). Обязательны ссылки на литературные источники. Описание составляйте своими словами, избегая прямого «скачивания», что сразу же будет замечено при проверке. В конце работы должно быть приведено ваше собственное суждение о том, каковы достоинства и недостатки описанных методов измерения, в каких условиях целесообразно их применять. Сравните инерцию и чувствительность методов измерения. Желательно даже сравнить сложность и стоимость соответствующих приборов. Если вы работаете с приборами, измеряющими ту или иную метеорологическую величину, приведите ваше впечатление о работе приборов.

В конце работы обязательно приводится список используемой литературы.

Примечание. При обнаружении дословного сходства сданных работ (или дословного сходства с одной из работ, сданных в предыдущие годы), такие работы не зачитываются и возвращаются для полной переделки.

Примерный перечень тем курсовых работ

1. Сравнение различных способов измерения температуры.
2. Сравнение различных способов измерения влажности воздуха.
3. Сравнение различных способов измерения скорости ветра.
4. Сравнение различных способов измерения направления ветра. Способы дистанционной передачи информации о направлении флюгарки.
5. Сравнение различных способов измерения атмосферного давления.
6. Сравнение различных способов измерения актинометрических величин.
7. Сравнение различных способов измерения высоты нижней границы облачности.
8. Сравнение различных способов измерения метеорологической дальности видимости.
9. Сравнение различных способов измерения содержания озона в атмосфере.
10. Сравнение различных способов измерения параметров атмосферных аэрозолей.
11. Измерение радиоактивного фона и радиоактивного заражения местности.
12. Измерение количества осадков. Автоматизация процесса измерения осадков.
13. Особенности измерения стандартных метеорологических величин в районе расположения метеорологической станции, где работает студент.
14. Особенности эксплуатации метеорологического измерительного прибора (по согласованию с преподавателем), с которым работает студент.
15. Информативный подход к проблеме измерения метеорологических параметров.
16. Передача метеорологической информации по каналам связи. Скорость передачи, проблема искажения сигналов.
17. Цифровые метеорологические измерительные приборы. Принципы конструирования цифровых приборов.
18. Соотношение тепловой инерции и чувствительности термометрических датчиков.
19. Измерение параметров атмосферного электричества. Электричество «хорошей погоды», грозовое электричество. Приборы и методы измерения.
20. Радиолокационное зондирование атмосферы. Использование радиолокаторов для измерения метеорологических величин.
21. Лазерное зондирование атмосферы. Лидары и их возможности для измерения метеопараметров.
22. Измерения атмосферных параметров с помощью искусственных спутников Земли.

ДИПЛОМНЫЕ РАБОТЫ

Перед выполнением дипломной работы студент обязан проконсультироваться с преподавателем, получить его согласие на руководство. Далее согласовывается тема работы, о чем студент должен поставить в известность деканат. При выполнении работы обязательны периодические консультации с преподавателем (например, с использованием Интернета). Для окончательного редактирования текста работы студент обязан заблаговременно прибыть в Университет. Срок прибытия согласовывается с руководителем.

Примерный перечень тем дипломных работ

1. Измерение метеорологической дальности видимости методом обратного рассеяния светового пучка.
2. Проблема инерции и чувствительности термометрических датчиков, поиск оптимального соотношения.
3. Проблема конденсационных следов за самолетами и снижения радиационных потоков.
4. Проблема взаимосвязи космических лучей и погоды на Земле.
5. Экологические проблемы, приборы контроля экологических параметров.
6. Грозовое электричество, проблема поиска причин возникновения электризации.
7. Встречные темы (например, поиск оптимальных путей организации измерений на вашей метеорологической станции).

СОДЕРЖАНИЕ

	Стр.
Предисловие
Общие указания
Литература
Указания по разделам
Введение
1.Основные понятия метеорологических измерений. Классификация метеорологических измерительных приборов.
2. Измерение температуры
3.Измерение влажности воздуха
4.Измерение параметров ветра
6.Измерение атмосферного давления
7.Актинометрические измерения
7. Дистанционные метеорологические приборы
8. Основные принципы устройства цифровых измерительных приборов. Основы теории информации.
9. Метеорологические измерения экологических параметров
10. Информационно-измерительные метеорологические системы. Автоматические метеорологические станции.
11. Использование искусственных спутников Земли для метеорологических измерений
12. Передача метеорологической информации по каналам связи. Факсимильная аппаратура.
13. Перспективы развития метеорологической измерительной техники
Контрольная работа
Курсовые работы
Примерный перечень тем курсовых работ
Дипломные работы
Примерный перечень тем дипломных работ

Учебное издание

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по дисциплине “МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ”   Составитель: Николай Олегович Григоров.

Редактор И. Г. Максимова.

ЛР № 203209 от 30.12.96.

Подписано в печать …….. Формат 60 90 ¹/₁₆ Бумага кн.-жур. Печать офсетная.

Печ. л. …….. Уч.-изд. л. ……….. Тираж …….. Зак. ………..

195196, СПб, Малоохтинский пр. 98. РГГМУ.

Отпечатано ………….