60 лет осадкомерному полигону в Валдайском филиале ГГИ (часть 2)

Краткая история исследований по повышению точности измерений осадков

В первые годы измерений на осадкомерном полигоне выполнялась оценка различий в показаниях осадкомеров. Для этого часть однотипных приборов была размещена на разной высоте над поверхностью земли, а часть различающихся типов приборов была установлена на одинаковой высоте. Приборы испытывались на луговой площадке, открытой для ветров всех направлений. Затем приоритеты исследований были смещены в сторону разработки эталонных методов измерения осадков и оценки систематических погрешностей различной физической природы, таких как смачивание, испарение и воздействие ветра. Для этого была оборудована другая площадка (кустарниковая), где приборы от воздействия ветра были хорошо защищены. После накопления необходимых экспериментальных данных приступили к разработке методов корректировки результатов измерения осадков, полученных сетевыми средствами измерений.

Измерения осадков на осадкомерном полигоне проводились не только для собственных научных исследований, но и в рамках международных научных программ. Так, в период с ноября 1972 г. по апрель 1975 г., по просьбе Управления водного хозяйства Финляндии, проводились испытания национальных дождемеров этой страны. В период с 1963 по 2015 гг. на полигоне был выполнен большой комплекс экспериментальных исследований с целью реализации четырёх международных программ под эгидой ВМО. Работа состояла во взаимосравнении величин осадков, измеренных осадкомерами разных конструкций, и определении точности их измерений.

В период реализации первой программы (1963 - 1970 гг.) сравнивались месячные суммы осадков по осадкомеру Третьякова, дождемеру с защитой Нифера и плювиографу П-2 с месячными суммами осадков, полученными по промежуточному (временному) эталону ВМО (Intermediate Reference Precipitation Gauge (IRPG)). При разработке IRPG за основу была взята конструкция английского дождемера Mk 2 и ветровая защита Алтера, улучшенная в соответствии с рекомендациями Warnick C.C.. Позже выяснилось, что этот прибор не мог служить эталоном, так как результаты измерений по нему содержали такие же погрешности, как и результаты измерений по национальным приборам (таблица 1)

Таблица 1 – Средние погрешности месячных и полусуточных сумм твёрдых осадков

В период реализации второй программы (1970 – 1974 гг.) сравнивались значения измеренного количества жидких осадков. В качестве эталона сравнений ВМО рекомендовала ямочный дождемер (Pit Gauge), который к этому времени был уже достаточно хорошо изучен, и достоверность его показаний была неоднократно подтверждена. В соответствии с рекомендациями [28] он был установлен и испытан на осадкомерном полигоне (ямочный осадкомер О-1М).

В 1988 году на осадкомерном полигоне были организованы наблюдения в рамках третьей международной программы ВМО (1986 – 1994 гг.) по взаимосравнению измерений твёрдых осадков, измеренных стандартными неавтоматическими осадкомерами. Две российские осадкомерные системы - Валдайская контрольная система и система с осадкомером Третьякова в двойной заборной защите - были назначены ВМО в качестве эталонных.

Во время четвёртой международной программы под названием «Эксперимент ВМО по взаимосравнению твёрдых осадков (SPICE) (2012-2015)» внимание было сосредоточено на измерениях твёрдых осадков с использованием автоматических осадкомеров. Для взаимосравнений измерений в качестве эталонных систем предлагались следующие: две российские осадкомерные системы, назначенные в предыдущей программе по взаимосравнению измерений твердых осадков в качестве эталонных, автоматический осадкомер с защитой Алтера в двойной заборной защите и система двойного осадкомера (один осадкомер без ветровой защиты, второй – с защитой Алтера). В эти системы предлагалось устанавливать автоматические осадкомеры Geonor или Pluvio. По этой программе ВМО, на осадкомерном полигоне для измерений осадков использовались, помимо двух российских эталонных осадкомерных систем, автоматические осадкомеры Pluvio-200 и Pluvio-400 немецкой фирмы ОТТ. Осадкомер Pluvio-200 был установлен в двойную заборную защиту на луговой площадке осадкомерного полигона.

Измерительные системы на осадкомерном полигоне

После проведенных международных этапов взаимосравнений значений осадков, измеренных разными приборами, ВМО рекомендовала всем странам продолжить экспериментальные наблюдения за осадками на национальных и региональных полигонах с целью реализации единой, согласованной на международном уровне, базовой программы измерений осадков в широком диапазоне природных условий. На таких полигонах должны эксплуатироваться все осадкомерные системы, рекомендованные ВМО в качестве эталонных, стандартные национальные осадкомерные приборы (прошлые и настоящие) и новые перспективные осадкомерные системы.

Валдайский осадкомерный полигон является одним из таких действующих полигонов. В настоящее время на нем эксплуатируются три осадкомерные системы, рекомендованные ВМО в качестве эталонных – Валдайская контрольная система, система с осадкомером Третьякова в двойной заборной защите и ямочный дождемер, а также шесть стандартных осадкомеров Третьякова и стандартный дождемер с защитой Нифера. Помимо этого, на полигоне установлены автоматические осадкомеры (Pluvio и Parsivel) с разными принципами измерений и с разными защитами от влияния ветра (рисунки 4, 5).

База данных наблюдений

За 60 лет существования осадкомерного полигона было проведено много исследований, накоплено большое количество данных. Результаты измерений осадков на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ с сопутствующей метеоинформацией, полученные за все годы его существования, хранятся в архиве ВФ ГГИ. Часть материалов наблюдений была опубликована в ежегодниках с 1964 по 1987 годы. Впоследствии данные с 1964 до 2021 годы были занесены в электронную базу данных, которая находится в ФГБУ «ГГИ» (официально зарегистрирована в 2023 году) и доступна для исследователей.

Основные достижения многолетних исследований

Важнейшими результатами многолетних исследований по данным комплексных экспериментальных наблюдений на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ являются:

• научное обоснование, разработка, создание и испытание двух осадкомерных измерительных систем, признанных во всем мире в качестве эталонных

• оценка точности измерений осадков стандартными осадкомерами разных стран относительно первичной эталонной системы измерений

• разработка и массовая реализация модели корректировки осадков, измеренных осадкомером Третьякова, с учётом выявленных погрешностей измерений осадков

Наиболее значимые результаты

1. После рассмотрения Организационным комитетом ВМО средств измерения осадков, используемых в мире, первичным эталоном измерения осадков была признана Валдайская контрольная система (ВКС), состоящая из осадкомеров Третьякова (от одного до трёх) в кустарниковой защите (Tretyakov in bush shield). Данные по ВКС не содержат значимых систематических погрешностей, а случайная погрешность её измерений остаётся ниже, чем случайные погрешности измерений по другим осадкомерам, даже после корректировки их результатов.

2. Поскольку составной частью ВКС является массив густого кустарника, она не может быть установлена во всех климатических зонах. Поэтому в качестве универсального международного (вторичного) эталона для измерения всех видов осадков Организационным комитетом ВМО была назначена другая осадкомерная система - осадкомер Третьякова в двойной заборной защите (Double Fence Intercomparison Reference - DFIR). Эта система была разработана в процессе многолетних исследований, при которых были испытаны ветровые защиты разных конструкций: сплошная защита, планочные защиты (металлическая, наклонная, деревянные одиночные и двойные заборные защиты разных размеров). При испытаниях значения осадков, полученные по осадкомерам в этих защитах, сравнивались со значениями осадков по ВКС. Был выбран самый лучший вариант с наименьшими погрешностями измерений, в последствии названный - система DFIR. Погрешности результатов измерений по DFIR значительно меньше, чем по другим средствам измерения осадков, используемым в разных странах до настоящего времени. Осадкомерная система DFIR с установленной точностью измерений может использоваться в качестве вторичного эталона только в том случае, если при установке DFIR строго соблюдаются утверждённые размеры этой конструкции, установленные в результате исследований.

В 1998 г. за оценку метрологических характеристик первичного эталона ВКС и исследования точности измерений атмосферных осадков ВМО наградила международной премией имени профессора Вилхо Вайсала группу сотрудников ГГИ под руководством Валентина Степановича Голубева, крупного учёного, высоко оценённого мировым научным сообществом в этой области знаний, который на протяжении многих лет занимался и руководил измерениями и исследованиями на осадкомерном полигоне, в том числе разработкой и созданием двух эффективных защит осадкомеров от воздействия ветра: кустарниковой защиты ВКС и двойной заборной защиты осадкомерной системы DFIR.

3. Одной из важных особенностей осадкомерного полигона в ВФ ГГИ является то, что он - единственный в мире первичный эталон (ВКС) для измерения количества выпавших осадков, имеющий установленные метрологические характеристики, что даёт возможность оценивать точность измерений других осадкомерных систем. Во время третьей программы ВМО по взаимосравнению измерений осадков, относительно первичного эталона были определены погрешности результатов измерений осадков осадкомерами и осадкомерными системами, установленными на полигоне. Средние погрешности месячных и полусуточных сумм твёрдых осадков, измеренных международным вторичным эталоном (DFIR), временным эталоном ВМО (IRPG), стандартными осадкомерами России (осадкомером Третьякова и дождемером с защитой Нифера), а также стандартными осадкомерами Германии, Польши, Венгрии, Канады и США представлены в таблице 1.

4. Поскольку данные по осадкам имеют значительные систематические погрешности, которые необходимо учитывать, ещё одной важной научной задачей, решение которой напрямую было связано с результатами экспериментальных наблюдений на осадкомерном полигоне, была разработка методики корректировки измеренных значений осадков. По результатам рассмотрений Организационным комитетом ВМО всех имеющихся в мире методик корректировки значений осадков, наиболее эффективной оказалась методика, разработанная ведущим научным сотрудником ГГИ В.С. Голубевым. Некоторые результаты применения этой методики представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Средние погрешности значений твёрдых осадков, откорректированных по методике В.С. Голубева

Исследования на полигоне с целью повышения точности определения количества выпавших осадков необходимы не только для гидрологов (для задач, связанных с водным балансом), но и для метеорологов, поскольку международные эталонные осадкомерные системы находятся в России только на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ. Благодаря результатам исследований на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ, методика В.С.Голубева стала основой новой модели корректировки значений осадков, учитывающей все выявленные систематические погрешности измерений осадков (смачивание осадкосборного сосуда, испарение, конденсат, воздействие ветра, ложные осадки). Эта модель была разработана совместными усилиями сотрудников ГГИ и Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО) и реализована в виде компьютерной программы для расчёта действительных значений осадков, измеренных осадкомером Третьякова в срок наблюдений на гидрометеорологических станциях Росгидромета.

Перспективы развития исследований на осадкомерном полигоне

За 60 лет исследований на осадкомерном полигоне получены важные результаты, оценённые мировым научным сообществом. Однако, цель создания осадкомерного полигона пока не достигнута.