Специализированная автоматическая сеть метеонаблюдений на базе вышек сотовой связи

Одной из основных задач гидрометеорологической службы является прогнозирование различных явлений природы и предупреждение об опасных и неблагоприятных погодных явлениях (ОЯ и НГЯ). Задача по обеспечению данными современных систем оперативного прогноза погоды и систем прогноза возникновения и распространения опасных явлений возлагается на метеорологическую наблюдательную сеть. Основная наблюдательная сеть Росгидромета на сегодня имеет шаг порядка 100 км и более.

Данные, получаемые в настоящее время от такой сети, недостаточны для создания достоверных мезомасштабных прогнозов и прогнозов возникновения и распространения опасных погодных явлений.

Для повышения качества прогнозов опасных явлений погоды и, соответственно, обеспечения гидрометеорологической безопасности Российской Федерации необходимо, в первую очередь, своевременное их обнаружение, то есть развитие и усовершенствование наблюдательной сети путем увеличения её плотности, повышения точности измерений на станциях, а также повышение оперативности и надёжности передачи данных наблюдений в прогностические органы и другим потребителям.

В связи с этим в рамках программы по модернизации и техническому перевооружению учреждений и организаций Росгидромета, а также создания целого ряда систем предупреждения об опасных явления погоды, перед НПО «Тайфун» была поставлена задача по созданию специализированной автоматической сети метеорологических наблюдений (САСМН) на вышках сотовой телефонной связи на базе автоматических метеостанций (АМС).

Целью создания такой сети является решение следующих задач:

• развитие организационной и функциональной структуры гидрометеорологической наблюдательной сети и повышение качества гидрометеорологического информационного обеспечения потребителей путем создания цифровой (без участия человека) технологии сбора и передачи первичных метеорологических данных, обеспечивающей, в том числе, решение задач гидрометеорологической безопасности в Российской Федерации
• повышение плотности сети метеонаблюдений и частоты передачи данных
• обеспечение систем оперативного прогноза погоды достаточным количеством данных
• обеспечение данными систем мезомасштабных прогнозов погоды
• значительное снижение затрат на создание и содержание пунктов наблюдений

Суть САСМН состоит в следующем: на стандартных вышках сотовой связи на нескольких уровнях размещаются АМС, которые обеспечивают измерение определенного набора метеопараметров и по каналам связи передают сообщения в территориальный ЦГМС, затем по АСПД данные поступают в Гидрометцентр России для использования в системе оперативного прогноза погоды.

В процессе разработки и опытной эксплуатации САСМН НПО «Тайфун» был решен целый ряд организационных и технических задач, в том числе:

• согласование технических требований к САСМН с ГГО и Гидрометцентром РФ
• согласование, в принципе, с сотовыми операторами возможности использования их вышек для размещения метеостанций
• разработка программного модуля для АМС, обеспечивающего передачу данных в формате АСПД Росгидромета
• обработка в реальных условиях технических и программных решений, обеспечивающих получение достоверных данных о метеорологических условиях в местах постановки метеостанций, а также отработка взаимодействия САСМН с другими элементами наблюдательной сети Росгидромета
• выбор набора датчиков для использования в составе САСМН

Была создана пилотная сеть метеонаблюдений (измерение скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления) на базе АМС МК-14, размещённых на вышках сотовой связи в Калужской и Московской областях:

• «Тимашово» (2 комплекса), на уровнях 12 и 36 метров (все параметры)
• «Юхнов», на уровне 36 метров (все параметры)
• «Волково», на уровне 10 метров (скорость и направление ветра), на уровне 2 метра (температура и влажность воздуха, атмосферное давление)
• «Людиново», на уровне 10 метров (скорость и направление ветра), на уровне 2 метра (температура и влажность воздуха, атмосферное давление)
• «Хвастовичи», на уровне 10 метров (скорость и направление ветра), на уровне 2 метра (температура и влажность воздуха, атмосферное давление)
• «Елагино» (Московская область), на уровне 10 метров (скорость и направление ветра), на уровне 2 метра (температура и влажность воздуха, атмосферное давление)

Указанные АМС работали в экспериментальном режиме с 2009 года по 2015 год.

Размещение метеостанций пилотной сети САСМН.

Пример размещения станции «Юхнов».

Слева датчик ветра, справа датчики  осадков, температуры и влажности воздуха.

В рамках функционирования пилотной сети метеонаблюдений в НПО «Тайфун» было выполнено исследование по определению влияния конструкций вышки на показания датчика ветра.

Основные выводы данного исследования:

• конструкция вышки оказывает незначительное влияние на показания датчика ветра;
• изменение скорости ветра при прохождении через элементы конструкции вышки зависит только от направления ветра и практически не зависит от его скорости;
• изменения, вносимые конструкцией вышки, могут быть учтены программно, путём ввода поправочного коэффициента при расчёте скорости ветра.

В 2019 году в рамках реализации проекта «Развитие системы мониторинга, прогнозирования и предупреждения о неблагоприятных и опасных погодных явлениях для города Москвы» были установлены и введены в действие 2 комплекса градиентных наблюдений на вышках сотовой связи «Котово» и «Первомайское» (Московская область).

Обеспечиваются измерения:

• на уровне 60 метров – скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха
• на уровне 30 метров - скорость и направление ветра
• на уровне 10 метров - скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха
• на уровне 1,5 метра – атмосферное давление, количество твердых и жидких осадков.

Пример размещения станции «Котово».

Показана установка датчиков ветра на 3-х уровнях.

В рамках данного проекта также установлены и введены в действие 2 АМС на крышах зданий, в том числе, высотных, в черте города Москвы.

Обеспечиваются измерения:

• скорости и направления ветра
• температуры и влажности воздуха
• атмосферного давления
• количества твердых и жидких осадков

Данные измерений в режиме, близком к реальному времени, один раз в 10 минут передаются в Центр сбора и обработки данных Центрального УГМС.

Установка АМС на крыше Росгидромета.

В рамках реализации указанного проекта предполагается существенное увеличение количества АМС на вышках сотовой связи и крышах высотных зданий.

Существенное увеличение плотности наблюдательной сети (сеть градиентных наблюдения на вышках сотовой связи, крышах высотных зданий, наземная сеть) позволит существенно повысить качество прогнозирования погодных явлений и, соответственно, качество предупреждения об ОЯ и НГЯ.

Центральным УГМС и Калужским ЦГМС проводились сравнительные наблюдения показаний АМС, размещённых на вышках, с показаниями стандартных наземных станций метеонаблюдений. Данные наблюдения показали что, данные, получаемые от стандартных метеостанций и АМС, размещённых на вышке, очень близки и не имеют резких расхождений.

Помимо прямого сравнения данных, был выполнен пространственный анализ, который также показал хорошие результаты.

По результатам данных исследований сделаны следующие выводы:

• показания измеряемых метеоэлементов САСМН соответствуют требованиям методических рекомендаций Росгидромета
• АМС на вышках сотовой связи работают устойчиво, данные от САСМН поступают регулярно и без сбоев
• рекомендуется использование данных САСМН в оперативной практике сетевых организаций Росгидромета

С начала 2013 г. по настоящее время на базе опытного полигона Гидрометцентра РФ выполняется отработка приёма, обработки и анализа данных от АМС, размещённых на вышках сотовой связи. Также ведутся работы по обеспечению использования этих данных в системах прогнозирования погодных явлений и предупреждения об ОЯ и НГЯ.

Получены следующие основные результаты:

• спроектирована и реализована Система усвоения данных метеорологических наблюдений САСМН на опытном полигоне для решения задач гидродинамического прогнозирования и верификации прогностических моделей
• выполнен сравнительный анализ поступающих данных, из которого, в том числе, следует, что за время проведения экспериментов существенно улучшены данные о температуре и влажности воздуха и приземном давлении

С момента начала работ по развитию САСМН сотрудниками НПО «Тайфун» выполняются мероприятия, обеспечивающие бесперебойную работу АМС, входящих в данную сеть, и достоверность измеряемых метеопараметров.

Достигнутые результаты позволяют рассматривать САСМН на базе вышек сотовой связи как один из основных способов расширения наблюдательной сети Росгидромета и источник данных для обеспечения систем прогноза погоды.