WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

«Под редакцией Джона К. Родда ЛЕНИНГРАД ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1987 УДК 5 6(0 2 0 2 5 8 )-2 -8 П еревод с английского Н. П. Артемьевой, В. В. Голосова Под редакцией канд. геогр. наук В. В. ...»

-- [ Страница 1 ] --

Грани

гидрологии

Под редакцией

Джона К. Родда

ЛЕНИНГРАД ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1987

УДК 5 6(0 2 0 2

5 8 )-2 -8

П еревод с английского Н. П. Артемьевой, В. В. Голосова

Под редакцией канд. геогр. наук В. В. Куприянова

Авторы книги — 19 ведущих ученых в области гидрологии

и метеорологии из 7 стран. В книге излагаю тся современные

проблемы гидрологии и пути их решения в условиях приме­

нения новейших методов исследовании и технических средств .

Вопросы гидрологии рассматриваю тся в аспекте круговорота, воды в природе, во взаимосвязи с окружаю щ ей средой и з а ­ дачами ее охраны. Книга является продолжением монографии «Грани гидрологии» (Л., Гидрометеоиздат, 1980). Год издания оригинала 1985 .

Д л я гидрологов, специалистов в области оценки и исполь­ зования водных ресурсов .

Copyright © 1985, by Gohn Wiley & Sons, Ltd .

Перевод на русский язык © Гидрометеоиздат, 1987 г .

I О гл авлен и е Предисловие редактора перевода

Список авторов

П редисловие

Глава 1. Дистанционное зондирование и гидрологические п р о г н о з ы

К. Г. Колльер

1.1. Введение

1.2. Требования к данным для гидрологического п р о г н о з и р о в а н и я

1.2.1. Пространственное и временное распределение о с а д к о в

1.2.2. Прогнозы осадков

1.3. Методы наземных радиолокационных н а б л ю д е н и й

1.3.1. Использование измерений радиолокационной отражаемости для опре­ деления интенсивности осадков

1.3.2. Оценка интенсивности осадков по измерениям дифференциальной отражаемости (двойная поляризация)

1.3.3. Применение данных радиолокационных измерений в гидрологическом прогнозировании

1.4. Спутниковые и авиационные м е т о д ы

1.4.1. Д ож девы е о с а д к и

1.4.2. Снег

1.4.3. В лажность почвы и и с п а р е н и е

1.5. Н еобходимость комплексного подхода к использованию данных дистанци­ онного зондирования в гидрологическом п р о г н о з и р о в а н и и

1.6. Перспективы применения дистанционного зондирования

Список литературы

Глава 2. Автоматические м е т е о с т а н ц и и

Я н К Стренджвейс

2.1. Введение •

2.2. Основные компоненты современных автоматических м е т е о с т а н ц и й................ 45

2.3. Датчики

2.3.1. Солнечная р а д и а ц и я

2.3.2. Остаточная радиация (радиационный баланс)

2.3.3. Температура

2.3.4. В лажность

2.3.5. Скорость ветра

2.3.6. Н аправление в е т р а.................

2.3.7. Осадки

2.3.8. Барометрическое д а в л е н и е

2.3.9. Дополнительные п е р е м е н н ы е

2.4. Регистрация результатов и з м е р е н и й

2.4.1. Устройство цифрового р е г и с т р а т о р а

2.4.2. Носители данных

2.4.3. Программируемый р е г и с т р а т о р

2.4.4. Источники питания

2.5. Дистанционная передача д а н н ы х

2.5.1. Причины, по которым необходима дистанционная передача данных — 2.5.2. Средства передачи д а н н ы х

2.6. Р азраб отка А М С

2.6.1. Опытный образец

2.6.2. Промышленное производство А М С

2.6.3. Будущие р а з р а б о т к и

2.7. Выводы

Глава 3. Кислотные о с а д к и

Ганс М. Сейп и А рне Толлан

3.1. В в е д е н и е





3.2. Кислотные дож ди и выпадения серы

3.3. Глобальные масштабы я в л е н и я

3.3.1. К руговорот серы

3.3.2. Временные т е н д е н ц и и

3.3.3. Выпадения с е р ы

3.4. Закисление водоемов. Масштабы и т е н д е н ц и и

3.5. Процессы

3.5.1. Взаимодействие с растительным п о к р о в о м

3.5.2. Углекислый газ

3.5.3. Органические к и с л о т ы

3.5.4. Реакции а з о т а

3.5.5. Реакции с е р ы

3.5.6. Роль подвижных а н и о н о в

3.5.7. Поглощение и высвобождение ионов растительностью и почвой... 107 3.5.8. Выветривание

3.5.9. М играция м е т а л л о в

3.5.10. Гидрологические ф а к т о р ы

3.6. Сезонные изменения кислотности и талый с т о к

3.7. М оделирование изменений химического состава речных в о д

3.7.1. Гидрологический б л о к.................

3.7.2. Химический блок

3.7.3. Результаты

3.7.4. Возможные улучшения м о д е л и

3.8. Прогнозы эффектов з а к и с л е н и я

3.9. Прочие возможные источники закисления почвы н в о д ы

ЗЛО. Влияние кислой воды на г и д р о б и о н т о в

3.11. Влияние кислых вод на популяции р ы б

3.12. Прочие последствия загрязнения воздуха с е р о й

3.12.1. Повреждение растительного п о к р о в а

3.12.2. Коррозия

3.12.3. Здравоохранение

3.13. Заключение

–  –  –

11.1. Введение

11.1.1. Н азначение и сфера д е й с т в и я

11.1.2. Предпосылки

11.2. Назначение м о н и т о р и н г а

11.3. И нформационная система сети м о н и т о р и н г а

11.3.1. Определение сети

11.3.2. Вопросы проектирования с е т и

11.3.3. Аспекты сбора д а н н ы х

11.3.4. Аспекты анализа д а н н ы х

11.3.5. Соображения э к о н о м и к и

11.3.6. Оценка программы с е т и

11.3.7. П одготовка и н ф о р м а ц и и

11.4. Некоторые примеры сетей мониторинга качества в о д

П.4.1. Рекогносцировка

11.4.2. Временные т р е н д ы

11.4.3. Сеть для расчетов качества в о д

11.5. О бсуждение и в ы в о д ы

–  –  –

П редлагаемая советскому читателю монография «Грани гидрологии»

под редакцией Д ж он а К- Родда является продолжением издания, на­ чатого под этим ж е заглавием в 1978 г. и опубликованного на русском языке Гидрометеоиздатом в 1980 г. Так ж е как и первая книга, предла­ гаемая монография составлена ведущими в области гидрологии уче­ ными Англии, Норвегии, СССР, США, Финляндии, Франции, Ш вейца­ рии, является оригинальной по замыслу, в ней интересно изложены ак­ туальные задачи гидрологии и пути их решения .

Вопросы гидрологии рассматриваются в аспекте круговорота воды в природе, во взаимосвязи с окружающей средой и задачами ее охраны. На высоком научном уровне изложены современные методы ре­ шения задач гидрологии при помощи вычислительной техники, автома­ тизации системы наблюдений и дистанционных методов исследований .

Не все главы монографии равноценны по уровню разработки и трактовке проблем. В некоторых главах допущена излишняя детали­ зация, что приближает изложение к учебному. В определенной мере это относится к главе 6 «О зера — их физические аспекты» и главе 7 «Расходы речных наносов». Глава 12 «Крупномасштабные переброски речного стока» написана советским ученым И. А. Шикломановым, ос­ тальные главы подготовлены учеными капиталистических стран. Это обстоятельство придает некоторую однобокость изложению проблем .

Как правило, опыт Советского Союза и других социалистических стран совершенно не освещен. Авторы редко цитируют советских ученых, д е ­ лают ссылки на устаревш ие работы. В главе 14 «Организация гидроло­ гических служ б» рассматриваются исключительно гидрологические службы капиталистических стран со всеми вытекающими из этого по­ следствиями, связанными с частной собственностью на землю и водным законодательством, определяющим право на воду (права собственности прибрежной полосы, система более раннего присвоения, администриро­ вание прав водопользования). Несмотря на отмеченные особенности, книга в целом представляет интерес для широкого круга гидрологов, специалистов сопредельных дисциплин и студентов нашей страны, так как дает представление о развитии гидрологии за рубежом, показывает основные направления исканий и приводит ряд оригинальных идей ре­ шения задач, связанных с расчетами и моделированием гидрологических процессов .

–  –  –

В книге «Грани гидрологии» рассматриваются проблемы, связанные с водой — одним из основных и наиважнейших элементов жизни. На большей части земного шара человечество не нуж дается в напомина­ ниях о жизненном значении воды; там, где воды достаточно или где вода воспринимается как нечто само собой разумеющ ееся, следует вспомнить о двух событиях 1982 г. из бесчисленного множества опасных природных явлений. З а четверо майских суток этого года в провинции Гундонг на юге Китая выпало более 800 мм осадков, которые вызвали катастрофические паводки, что привело к гибели 385 человек, к разру­ шению 36 000 построек и лишению крова 800 000 человек. С апреля до конца 1982 г. и в 1983 г. Австралия испытала одну из самых суровых засух, которая когда-либо наблюдалась на этом континенте. Ущерб сельскому хозяйству превысил 2000 млн. долларов, такой ж е ущерб по­ несло животноводство, лесными пожарами было уничтожено несколько поселков, были жертвы среди населения .

Природные явления, подобные этим, и многие другие, происходящие ежегодно, служ ат частыми напоминаниями о важной роли воды. В боль­ шинстве районов земного шара фактически не удовлетворяются запросы на питьевую воду, и еще на большей территории отсутствуют эффектив­ ные системы санитарии, что приводит к распространению различных за ­ болеваний. Действительно, в развивающихся странах ежедневно уми­ рает около 30 000 детей только из-за болезней, обусловленных недостат­ ком воды .

Загрязнение рек и водоемов коммунально-бытовыми отходами, про­ мышленными и сельскохозяйственными сбросами становится угрож аю ­ щей проблемой для многих стран. Загрязнение приводит к уничтожению источников свежей воды, а также биологической продуктивности не только самих рек и водоемов, но также эстуариев и прибрежных вод .

Некоторые авторитетные ученые утверждают, что возрастающ ее загряз­ нение наряду с растущим потреблением воды приведут к тому, что ис­ точники свежей воды в мире будут полностью нспользозаиы в течение ближайших 50—60 лет. Многие национальные планы по использованию воды и международные инициативы направлены и а предотвращение этой угрозы. Всемирная водная конференция 1977 г. осветила на меж ­ дународном уровне проблемы, определила нужды и наметила некото­ рые пути решения. В ответ на затронутые ею вопросы в 1980 г. Всемир­ ная организация здравоохранения предложила провести Всемирную декаду питьевой воды и санитарии. Работа Декады началась с определе­ ния потребностей развивающихся стран в снабжении водой и требова­ ний санитарии и осуществляется в настоящее время в форме денежной помощи проектам, направленным на решение водных проблем в раз­ личных странах. Д в е другие программы, одна в Ю НЕСКО и вторая в ВМО, помогают проведению Декады, уделяя внимание оценке водных ресурсов и развитию их использования .

Как и вышедшая в 1980 г. книга «Грани гидрологии», настоящая монография представляет собой сборник обзоров, подготовленных спе­ циалистами в различных областях гидрологических исследований .

Книга не ставит целыо раскрыть все аспекты гидрологии так ж е, как и не предполагает, что читатели имеют одинаковую подготовку во всех вопросах, которые она затрагивает. Некоторые авторы подробно осве­ щали рассматриваемые темы, другие ориентировались на читателей, знакомых с основными проблемами раскрываемых тем. Тем не менее предполагается, что книга привлечет внимание исследователей и прак­ тиков, работающ их в различных областях гидрологии, а такж е тех, кто знакомится с различными гранями гидрологии, возможно, впервые .

Глава 1

–  –  –

1.1. Введение Гидрологическое прогнозирование основывается на описании процес­ сов, действующих внутри бассейна, и перемещений воды по земной поверхности и сквозь нее. Гидрологические прогнозы, в частности про­ гнозы паводков и засух, позволяют улучшить использование водных ре­ сурсов. Д ля описания режима рек как при нормальных погодных усло­ виях, так и при паводках и засухах обычно прибегают к графическому представлению хронологического хода уровня или расхода, получая при этом так называемый гидрограф. Этот способ представления дан ­ ных мы и будем иметь в виду, обсуж дая значение для гидрологического прогнозирования данных, полученных с помощью методов дистанцион­ ного зондирования .

Р яд параметров, требующихся для моделирования и прогнозиро­ вания процессов в бассейне, можно установить путем измерений элек­ тромагнитного излучения, которое испускается или отражается поверх­ ностью земли и воды. Соответствующие методы и будем определять как методы дистанционного зондирования, не включая в их число наблю де­ ния с помощью аппаратуры, расположенной на земле, например с по­ мощью автоматических метеостанций, хотя полученные данные могут передаваться по спутниковым линиям связи. Основные методы дистан­ ционного зондирования связаны с получением радиолокационных и спутниковых изображений в диапазонах электромагнитного спектра, по­ казанных на рис. 1.1 .

В настоящее время многие гидрологи [65] приходят к выводу, что все более усложняющ ееся моделирование реакции речных бассейнов на внешние воздействия будет оставаться бесплодным, пока на основе широких полевых исследований не удастся уменьшить погрешность определений, по крайней мере пространственной изменчивости осадков и физических характеристик почв. Р яд необходимых данных опреде­ ленно можно получить с помощью радиолокационных и спутниковых наблюдений. Но, как показывает практика, ни тот, ни другой способ наблюдений, за одним-двумя исключениями, еще не были так полезны для оперативного прогнозирования паводков в реальном времени, как надежная телеметрическая система измерений расходов воды и осад­ ков, хорошо подстрахованная от повреждений линий связи в условиях наводнений. Сейчас ситуация начинает меняться. Этому способствует осознание того факта, что различные методы дистанционного зондиро­ вания взаимодополняют друг друга и должны использоваться в рамках единой системы гидрологического прогнозирования. Создание таких си­ стем в ряде стран потребовало объединения усилий гидрологов, гидро­ техников и метеорологов, работающих в разных учреждениях .

–  –  –

В данной главе выясняются требования к данным измерений, необ­ ходимым для гидрологического прогнозирования, и обобщаются возмож ­ ности современных методов дистанционного зондирования. Основное внимание уделено тем методам, которые уж е используются или в бли­ жайш ее время войдут в оперативную практику. Отмечаются достоинства методов дистанционного зондирования и рассматриваются вероятные их применения в будущ ем. При описании общих требований к данным для гидрологического прогнозирования основное внимание будет уд е­ лено измерениям осадков .

1.2. Требования к данным для гидрологическогопрогнозирования

П реж де чем говорить о возможностях измерения гидрологических пара­ метров методами дистанционного зондирования, надо определить, какие же параметры необходимы. Это не простой вопрос. Существует большое множество гидрологических моделей, начиная с понятийно простых мо­ делей типа «Приток— Накопление—Отток» (П Н О ), основанных на рас­ смотрении водного баланса (осадки увеличивают накопление, а отток истощает его) и применении уравнений регрессии для нахождения за ­ висимости м еж ду накоплением и оттоком (например, [79, 81] ), и кон­ чая сложными моделями для непрерывной имитации гидрологических процессов посредством численного решения уравнений диффузии (на­ пример [4 0 ]). При этом некоторые исследователи отмечают [91], что простые модели могут давать не менее удовлетворительные результаты, чем дают сложные, а в ряде случаев одинаково плохо работают и про­ стые, и сложные модели. Здесь речь пойдет о требованиях к входным данным для сложных моделей, поскольку они обычно охватывают и тре­ бования к данным для простых моделей .

В работе [108] приводятся результаты анализа чувствительности непрерывно имитирующей модели бассейна к входным данным. И ссле­ довались 26 входных параметров, из них шесть можно было получить с помощью известных в то время (в 1975 г.) методов дистанционного зондирования. Три из этих шести параметров требовали определения ^п ространственн ы х размеров наземных объектов — водонепроницаемых ^ т ер р и то р и й, водоемов, лесов. Д ва параметра требовали установления ~\. характера землепользования, от которого зависит склоновый сток, коэф ф и ц и е н т шероховатости и густота растительности, а соответственно и ^ з н а ч е н и е перехвата осадков. Один параметр — длина пути склонового ^стока— требовал измерения расстояний. В названной работе указаны также допустимые погрешности измерений осадков, влажности почвы и эвапотраиспирации .

Соответствующие результаты представлены в табл. 1.1, где в об­ щем виде указано также, какие из требований можно удовлетворить с помощью методов дистанционного зондирования и сформулированы требования к исходным данным. Хотя для погрешностей приведены конкретные значення, их нужно рассматривать лишь как ориентировоч­ ные, поскольку указанным требованиям могут не удовлетворять со­ временные оперативные методы измерения, не связанные с дистанцион­ ным зондированием. Кроме того, погрешности, допускаемые во входных данных, будут различными для разных моделей и бассейнов. Некото­ рые измерения, названные здесь «динамическими», должны выпол­ няться непрерывно. Они считаются более важными с оперативной то­ чки зрения, чем другие измерения, названные «статическими», которые проводятся один-два раза на стадии подготовки модели. В частности, это относится к измерениям осадков, которые будут рассмотрены здесь с большей подробностью .

1.2.1. Пространственное и временное распределение осадков

Позволяя судить о достижениях в области дистанционного зондирова­ ния, данные табл. 1.1 даю т неполную картину, например, в части требо­ ваний к измерениям осадков. П одробно этот вопрос рассматривается в работе [63], где указывается, что погрешность в измерениях осадков зависит от пространственного и временного осреднения, необходимого для решения тех или иных гидрологических задач. В общем, чем короче период осреднения и меньше рассматриваемая площадь, тем больше максимальная допустимая погрешность [15, 93] . Согласно ряда экспе­ риментов на гидрологической модели [131], пространственное распре­ деление осадков заметно влияет иа вид гидрографа стока. Как уста­ новлено авторами этой работы, даж е п р а в и л ь н а я оценка суммарного слоя осадков по существующей сети осадкомеров и точная регистрация временного хода осадков не гарантирует от серьезных погрешностей в значениях расчетного гидрографа — суммарного объема, максимума и времени его наступления, если пространственное распределение осад­ ков не будет адекватно учтено во входных данных. Погрешности могут быть велики при фронтальных осадках, но особенно они значительны в случае интенсивных локализованных конвективных ливней. В работе [94] этот вопрос заостряется еще больше, и ее авторы высказывают сомнение в возможности заметного улучшения гидрологического прогно­ зирования в реальном времени за счет преодоления многочисленных Таблица 1.1 Типичные требования к входным данным для модели бассейна и удовлетворяющ ие им методы дистанционного зондирования (согласно [108])

–  –  –

проблем оценки параметров. Авторы работы призывают совершенство­ вать описание пространственной изменчивости осадков и ее влияния на реакцию водотоков, а такж е структуру моделей прогноза в реальном времени, не тратя усилий на решение проблем оценки стока .

Во многих бассейнах отрезок времени от момента выпадения осад­ ков на землю до появления максимального расхода в расчетном пункте является коротким. Это особенно относится к городским водосборам, где застроенная площадь сильно убыстряет сток. Максимальный рас­ ход может возрасти, если погодная система, принесшая обильные осадки, будет двигаться в направлении водотока [17]. При таких ус­ ловиях максимальные расходы с верхних и ниже расположенных участ­ ков водосбора могут совпасть во времени и «усилить» друг друга. В по­ добных случаях знать распределение осадков во времени и простран­ стве особенно важно .

Пространственная изменчивость осадков, представляющая непосред­ ственный интерес при гидрологическом моделировании, влияет и на распределение влажности почв в бассейне. Исследования, проведенные на небольших низменных водосборах на ю го-западе Англии [125], по­ казали, что реакция конкретного водосбора на осадки сильно меняется от ливня к ливню, причем форма гидрографа в значительной мере за ­ висит от дефицита почвенной влаги в предшествующий период .

1.2.2. Прогнозы осадков

Для гидрологического прогнозирования характерны два основных под­ хода:

1. Реактивный подход, заключающийся в том, что прогнозирова­ ние в реальном времени и регулирование речного стока выполняются по заранее установленным оперативным правилам. Они могут быть основаны на графиках связи речных уровней с текущими показаниями телеметрических осадкомеров или датчиков расхода воды, либо значе­ ниями ее накопления, характеризующими условия на реке сверху вниз по течению .

2. Адаптивный подход, состоящий в том, что прогнозы и решения, касающиеся регулирования стока в данный период времени, основы­ ваются на ожидаемых значениях притока воды, а такж е на знании те­ кущих условий в расчете на оптимальное использование располагаемых емкостей и пропускной способности русла и возможно более быстрый выпуск оповещений .

В известных прогностических системах используется либо какой-то один, либо оба из названных подходов. Однако в работе [72] указы­ вается, что если гидрологические прогнозы основываются только на те­ кущих измерениях осадков, то неявно предполагается, что после вы­ пуска прогноза осадки выпадать не будут. Если прогнозы выпускаются в период ливня, это будет явно худш ее из всех возможных допущений, и, таким образом, становится очевидной необходимость в прогнозах осадков [34, 45]. Об этом свидетельствуют, например, результаты мо­ делирования [78], в ходе которого работа системы контроля перелива канализационного коллектора имитировалась на модели с авторегрес­ сионной передаточной функцией и определялись погрешности модели при различной заблаговременности прогноза, достигавшей нескольких часов. Было установлено, что математическое ожидание квадрата 2* 19 ошибки обычно оказывается меньше порогового ее значения, по пре­ вышении которого в случае рассматриваемой канализационной системы предпочтительнее становится реактивный подход .

В последующих параграфах главы мы рассмотрим, насколько хо­ рошо методы дистанционного зондирования отвечают указанным выше требованиям к данным для гидрологического прогнозирования. П о­ скольку «динамические» входные данные, перечисленные в табл. 1.1, необходимы для всех гидрологических моделей, какими бы простыми они ни были, мы уделим им основное внимание .

1.3. Методы наземных радиолокационных наблюдений

Возможности применения радиолокаторов для измерения осадков изу­ чаются уж е около 30 лет. Однако реальные успехи в оперативном ис­ пользовании радиолокаторов для этой цели были достигнуты только в последние десять лет в результате развития вычислительной техники, разработки принципов цифровой связи и создания новых систем ин­ дикации данных .

П редлож ено множество способов наблюдения осадков с помощью радиолокаторов, но по существу есть три метода, каждый из которых связан с определенным типом радиолокационных данных:

1) измерения интенсивности обратного рассеянного излучения (от­ ражательной способности цели по отношению к радиолокационным си­ гналам) и измерения различий в отражательной способности для вер­ тикально и горизонтально поляризованного излучения;

2) измерения ослабления энергии радиолокационных сигналов;

3) измерения одновременно ослабления и отражательной способно­ сти на двух длинах волн .

Последний метод разрабатывался в СССР [1] и в США [4, 44], но для выяснения возможностей оперативного его использования необ­ ходимы дополнительные исследования, и здесь он не будет рассматри­ ваться .

Излучение с длиной волны менее 3 см ослабляется осадками при­ мерно в линейной зависимости [106, 124]. Это обстоятельство можно использовать для измерения средней интенсивности осадков меж ду двумя пунктами (см. обзор в [59]) при условии, что ливень не на­ столько сильный, чтобы сигнал поглощался полностью. Ввиду практи­ ческих трудностей осуществления измерений с хорошим пространствен­ ным разрешением при любых интенсивностях осадков этот метод не получил применения в оперативной деятельности .

Гораздо лучше разработай первый из названных методов, связан­ ный с измерением радиолокационной отражаемости. Много исследова­ ний посвящено в настоящее время также выяснению практической при­ менимости измерений дифференциальной отражаемости. Остановимся на некоторых результатах исследований в этих двух направлениях .

1.3.1. Использование измерений радиолокационной отражаемости для определения интенсивности осадков Измеренные значения энергии, рассеиваемой в обратном направлении каплями дож дя, выпадающего на пути радиолокационного луча над местностью, можно связать с интенсивностью осадков. Осадки могут наблюдаться на разных удалениях от радиолокатора— до 100 км и более — и на разных азимутах при вращении радиолокационного луча относительно вертикальной оси. В работе [101] показано, что при усло­ вии равномерного заполнения жидкими осадками объема пространства, освещаемого антенной за время импульса,

Рг = С,С2- Ц ^ ~, (1.1)

где Рг — средняя мощность Р г сигнала, вернувшегося от области осад­ ков с расстояния г; С\ — функция параметров радиолокатора; С2 — примерно постоянная величина, значение которой определяется диэлект­ рическими свойствами частиц осадков; — сумма возведенных в ше­ стую степень диаметров капель D в некотором единичном объеме; К — коэффициент ослабления сигнала при прохождении им расстояния г и обратно. Радиолокационная отражаемость Z — D 6 связана с ин­ тенсивностью дож дя (или снега) эмпирической зависимостью

Z = ARb7 (1.2)

где R — интенсивность дож дя; А и В — эмпирически устанавливаемые константы. Фактические значения Л и В зависят от типа наблюдаемых осадков и могут меняться в широком диапазоне [16]. Однако чаще всего принимают А — 200 и В = 1,6 .

От изменчивости, присущей всем членам приведенных уравнений, будет зависеть погрешность измерений дож дя (снега). Как показано в работе [60], эта изменчивость почти полностью обусловлена метео­ рологическими факторами. Установлено несколько источников погреш­ ности (подробно см.

в [25]):

1. Изменения в соотношении меж ду энергией обратного рассеян­ ного излучения и интенсивностью осадков на пути радиолокационного луча вследствие изменения распределения капель по размерам, нали­ чия града, а иногда сухого или мокрого снега на пути луча. Когда ра­ диолокационный луч пересекает область, в которой тающий снег пре­ вращается в дож дь, эхо-сигнал усиливается и появляется так называе­ мая «яркая полоса». Измерения радиолокационной отражаемости в пределах яркой полосы дают завышенные количества дож дя, дости­ гающего поверхности земли .

2. Действительные изменения интенсивности осадков на пути луча и в зоне меж ду ним и подстилающей поверхностью вследствие увели­ чения размеров капель или испарения .

3. Изменения характеристик радиолокатора .

4. Ослабление радиолокационных сигналов при выпадении обиль­ ных осадков на пути луча и вследствие попадания воды на защитный купол антенны (кожух, защищающий радиолокатор от воздействия ветра и льда) .

5. Радиолокационные сигналы, часто появляющиеся от подстилаю­ щей поверхности при аномальных условиях в нижних слоях атмосферы, влияющих на траекторию радиолокационного луча .

Источники появления погрешностей в измерениях осадков показаны на рис. 1.2. П реобладаю щ ее значение первых двух из них отмечалось в работе [28], хотя в определенных случаях существенные погрешно­ сти могут быть связаны и с остальными источниками. Погрешность км Рис. 1.2. Поперечный разрез через область фронтальных осадков .

Источники погрешностей радиолокационных измерений интенсивности осадкоп у поверх­ ности земли: 1 —на больших расстояниях радиолокационный луч проходит поверх зоны осадков, выпадающих в приповерхностном слое атмосферы, 2 —испарение на уровнях ниже радиолокационного луча, 3 — не обнаруживается орографическое усиление осад­ ков над холмами ниже радиолокационного луча, 4 —аномально силыюе радиоэхо от тающего снега (яркая полоса), 5 —• занижение интенсивности мороси из-за отсутствия крупных капель, 6 —искривление радиолокационного луча при наличии сильного гра­ диента влажности в атмосфере на границе суши и моря [28] .

радиолокационных измерений можно в какой-то мере уменьшить, ис­ пользуя показания осадкомеров для калибровки показаний радиолока­ тора [129]. Д ля этого коэффициент В в уравнении связи отражаемости и интенсивности осадков обычно принимают постоянным, например, равным 1,6, и устанавливают соответствующий коэффициент А. Однако, обеспечивая уменьшение погрешности радиолокационных измерений осадков за счет перечисленных выше источников, такой прием не сни­ мает всех проблем .

1.3.1Л. Погрешность измерений осадков в случае калибровки показаний радиолокатора по данным наблюдений на осадкомерах З а последние десять лет появился ряд работ, посвященных определе­ нию погрешности радиолокационных измерений осадков. Этим вопросом занимались исследователи Англии [36, 6 0 ], США [90, 107, 132], СССР [22], Федеративной Республики Германии [8], Швейцарии [76], Япо­ нии [97] и Канады [64]. Имеется работа [130] обзорного характера .

Несмотря на различия в подходах к решению данного вопроса, у ис­ следователей из разных стран большинство полученных результатов неплохо согласуются друг с другом. Некоторые несоответствия меж ду ними объясняются различиями в пространственном охвате, разрешении данных по времени и типах осадков. С учетом этого вопрос о погрешно­ сти радиолокационных измерений представляется возможным рассмот­ реть на примере результатов одного специального научно-исследовательского проекта — Радиолокационные метеорологические наблюдения в бассейне реки Д и (Р М Н Д ), осуществленного в Англии в 1970— 1976 гг .

Погрешность, с которой 10-сантиметровый радиолокатор с шириной конусообразного луча 2° и 5,6-сантиметровый радиолокатор с шириной луча 1° позволяли измерять осадки, выпадающие на площади одного из холмистых районов Северного Уэльса, оценивалась в проекте Р М Н Д пу­ тем сопоставления радиолокационных данных с данными густой сети из 76 осадкомеров-самописцев, расположенных на территории примерно 1000 км2. Измерения осадков на этой сети тож е содерж ат ряд погреш­ ностей, в частности, возникающих из-за нерепрезентативности отдель­ ных осадкомеров при тех или иных условиях выпадения осадков .

В связи с этим показания радиолокатора, калиброванные по определен­ ному небольшому числу осадкомеров, сравнивались с так называемым оптимальным полем осадков. Оптимальное поле осадков определялось по всем осадкомерам в предположении, что каждый осадкомер точно измеряет осадки в месте его расположения (если только сравнение его показаний с показаниями соседних осадкомеров не указывает на грубую ош ибку), а м еж ду осадкомерами оптимальное поле осадков получали путем интерполяции их показаний с учетом распределения интенсивности эхо-сигналов. Считалось, что преимущества этого метода оценки погрешности радиолокационных измерений перекрывают любые вносимые искажения .

–  –  –

Установлено, что в случаях, когда радиолокационный луч не пере­ секал яркую полосу, радиолокационные оценки часовых осадков над участками речного водосбора с типичным размером 60 км2 отличались от оптимальной оценки примерно на 15 % в пределах 15 км от калибро­ вочного осадкомера и на 20 % при расстоянии порядка 20 км .

При пересечении радиолокационным лучом яркой полосы погреш­ ности возрастали примерно в 1,5 раза. На рис. 1.3 показано, как убы­ вает погрешность радиолокационных измерений осадков при увеличении периода и площади осреднения. Однако для территорий свыше 450 км2 погрешность снова начинала возрастать, поскольку калибровочные осадкомеры становились нерепрезентативными для больших терри­ торий .

На рис. 1.4 показано изменение погрешности радиолокационных измерений осадков в зависимости от плотности сети осадкомеров .

Сплошные кривые изображ аю т погрешность часовых сумм осадков над водосборами, соответствующую расположению калиброванного радио­ локатора на удалении до 50 км от интересующего района. Пунктирные кривые показывают погрешности измерений осадков на сети осадкоме­ ров без применения радиолокатора. В се кривые погрешностей построены в виде функции плотности сети осадкомеров. И з рис. 1.4 можно видеть, что когда радиолокатор калибруется по одному осадкомеру и луч про­ ходит ниже яркой полосы, то сеть всего с пятью осадкомерами на 1000 км2 при типичном равномерном дож де обеспечивает погрешность измерений, которая не хуж е, чем для радиолокатора. В случае типич­ ных изолированных ливней для этого необходима плотность сети по­ рядка 40 осадкомеров на 1000 км2 .

Хотя оценка погрешности радиолокационных измерений осадков в проекте РМ Н Д производилась в ограниченном по азимуту секторе на площади лишь 1000 км2, использовавшийся радиолокатор позволяет охватить количественными наблюдениями площадь, большую на поря­ док величины. Однако охарактеризовать значение результатов проекта РМ Н Д применительно к проведению измерений в реальном времени на такой огромной территории очень трудно. Фактически вопрос о внедре­ нии результатов подобных экспериментов в оперативную практику еще не поднимался. Одну из таких попыток представляет Проект радиоло­ кационных наблюдений на северо-западе Великобритании (Р Н С ЗВ ), имеющий целью «разработку методов гидрологического прогнозирова

–  –  –

ния на основе данных радиолокационных наблюдений и их внедрение в оперативную деятельность Водохозяйственного управления северозападных районов Великобритании» [38]. При выполнении проекта РН С ЗВ выяснилось, что нужно разработать метод калибровки радио­ локатора, позволяющий определять калибровочные коэффициенты по нескольким телеметрическим осадкомерам. Соответственно в разных районах при разных типах дождя калибровочные коэффициенты будут разными [39]. Хотя окончательные итоги названного проекта еще не подведены, уже сейчас ясно, что в реальном времени можно получать результаты, качественно сравнимые с результатами радиолокационных измерений осадков в проекте РМ НД. В частности, этот вывод верен для случая фронтальных осадков, выпадающих во всей зоне действия радио­ локатора, которую принимают равной площади в радиусе 75 км от ме­ ста расположения радиолокатора, т. е. примерно 15 О О км2. В этом слу­ О чае рассчитывать на точные измерения осадков на больших площадях с помощью одних только осадкомеров нереально, особенно если осадкомеры придется подключать к линиям связи, чтобы обеспечить данные в реальном времени. Допуская погрешность измерений 25 %, подсчи­ тано [123], что если измерения требуются на территории более 300 км2, то выгоднее использовать калиброванную РЛ С, а не телеметрическую сеть осадкомеров .

1.3.1.2. Погрешность радиолокационных измерений выпадений снега Радиолокатором можно измерять количество выпадающего снега с т а ­ кой же погрешностью, как и дождя, исключая, конечно, значительно более сложные случаи ветрового переноса снега в слое ниже атмосфер­ ного луча. Соответствующий метод основан на пересчете измерений радиолокационной отражаемости по эмпирическому уравнению вида Z = A R B. Как и в случае измерений дождя, значения А и В меняются в широких пределах [96]. Чаще всего используются значения А = 2000 и = 2,0 [58], хотя в работе [68] предлагается принимать /1 = 540 для сухого снега и Л = 2100 для мокрого .

Исследований по определению погрешности радиолокационных из­ мерений выпадений снега проведено значительно меньше, чем по опре­ делению погрешности измерений осадков. Используя для калибровки водный эквивалент снега, собранного в одном осадкомере, Ятила [73] установил, что в 60 % случаев радиолокационных измерений количество снега, выпавшего в радиусе 50 км от места расположения радиолока­ тора, оказывается в интервале от —24 до 32 % от суточных количеств снега, измеренных осадкомерами. Наиболее детальные до настоящего времени исследования описываются в работе [100]. В них использова­ лись три радиолокатора и обширная сеть осадкомеров, включавшая 13 весовых плювиографов [99]. Погрешность радиолокационных изме­ рений выпадений снега в радиусе 30 км от радиолокатора оказалась такой же, как и по данным Ятилы, но быстро нарастала при увеличе­ нии высоты распространения радиолокационного луча по удалении от радиолокатора .

В том и другом исследовании наблюдения проводились на ровной местности, но такой же точности можно достичь и в холми­ стой местности [37]. В работе [24] приводятся дополнительные данные, подтверждающие точность измерений в радиусе 50 км от радиолока­ тора, указанную в работах [73, 100]. В одной из последних работ [29] сообщается, что при усилении снегопада ниже радиолокационного луча вследствие орографических эффектов радиолокационные измерения мо­ гут давать сильно заниженные оценки выпадений снега на поверхность земли .

1.3.2. О ц ен ка интенсивности о с а д к о в по изм ерениям ди ф ф ерен ц и а ль н ой отражаемости ( д в о й н а я п о л я р и з а ц и я ) В работе [113] предложено использовать радиолокатор, работающий на волне 10 см и позволяющий определять коэффициенты отражаемости для горизонтально {ZH) и вертикально (Zv ) поляризованных сигналов, для измерения распределения капель по размерам и, следовательно, интенсивности осадков. Измерения указанного типа дают так называе­ мую дифференциальную отражаемость .

Соответствующий метод основан на тех фактах, что в среднем дождевые капли имеют форму сплющенной сферы, причем оси их сим­ метрии расположены почти точно по вертикали, а степень сплющенно­ сти зависит от размера капли. Величина Z DR служит мерой диаметра Do капель медианного объема для дождя с экспоненциальным распре­ делением размеров капель. Распределение имеет вид N ( ^ ) « JV0 е^Р ( - 3, 6 7 Deq/D0), где D eq — диаметр сферической капли с объемом, равным объему сплю­ щенной капли. Измерив Z H и Z DR, можно определить N 0 и D 0 и, следо­ вательно, оценить интенсивность осадков. Поскольку Z H и Z v входят в Z DR в виде отношения, искажения, связанные с конструктивными осо­ бенностями антенны приемопередатчика, на результатах измерения не сказываются .

В работе [114] проводится сопоставление данных, полученных по этому методу, и радиолокационных измерений осадков при калибровке радиолокатора по показаниям осадкомеров. Оказывается, что при осад­ ках конвективного типа отклонения от показаний осадкомеров состав­ ляют в первом методе 22 % и во втором 42 %, а при использовании сред­ него соотношения между Z и R (Z = 187^1 достигают 47 %. Отмечено, 27) что при использовании калиброванных измерений отражаемости, сооб­ щаемых в [130], наименьшее расхождение (2 4 % ) достигалось при вве­ дении «ливневой поправки» (storm bias) (корректировка при каждом ливне средней интенсивности осадков согласно радиолокационных из­ мерений по средней интенсивности осадков согласно показаний осадко­ меров). О прекрасном совпадении результатов измерений по методу дифференциальной отражаемости и данных, полученных с помощью дистрометра [75], сообщается в работах [49, 50] .

Казалось бы, метод дифференциальной отражаемости открывает возможность точного измерения интенсивности осадков без необходимо­ сти калибровки данных по показаниям осадкомеров. Однако в [71] указывается, что отдельные точечные измерения Z d r могут соответст­ вовать совершенно различным интенсивностям осадков. Хотя исполь­ зуются только две радиолокационные переменные ( Z H и Z b r ), в анализ вводятся два дополнительных параметра (максимальный размер и форма капель). В конечном счете выигрыш в количественной информации ока­ зывается незначительным и требуются новые радиолокационные пара­ метры [7], осреднение данных по времени и площади, либо далее к а ­ кая-то форма калибровки при определенных метеорологических ситуа­ циях. Следовательно, и в этом методе мы сталкиваемся с такого же рода проблемами, как и в методе измерения общей отражаемости. В р а ­ боте [49], посвященной этим вопросам, даются рекомендации по умень­ шению соответствующих погрешностей .

Наконец, в методе дифференциальной отражаемости, как и в лю­ бых других радиолокационных методах, невозможно избежать погреш­ ностей измерения, связанных с наличием градиентов отражаемости ниже радиолокационного луча, которые могут быть значительными в случае изолированных гроз и орографических осадков. Другими сло­ вами, даж е если радиолокатор точно измеряет интенсивность дождя в пределах луча, эти измерения могут быть нерепрезентативными в от­ ношении интенсивности дождя на поверхности земли. Отчасти эту про­ блему можно преодолеть, если использовать узкий луч (0,5— 1°), в ча­ стности, когда осадки на поверхности необходимо измерять на расстоя­ ниях не более 100 км от радиолокатора или в холмистых районах, представляющих особый интерес для гидрологов. Увеличение затрат по эксплуатации радиолокационных систем с узким лучом и большой мощ­ ностью импульса, а такж е усложнение обработки данных представляют собой основные препятствия на пути внедрения соответствующих си­ стем в оперативную практику .

1.3.3. П р и м ен ен и е д а н н ы х р а д и о л о к а ц и о н н ы х и зм ер ен ий о с а д к о в в ги д р о л о ги ч е с к о м п р о г н о з и р о в а н и и С появлением цифровых радиолокационных данных гидрологи быстро оценили полезность их применения в целях гидрологического прогнози­ рования [3, И, 35, 61, 62]. Проведен ряд сопоставлений [3, 51, 53] на­ блюденных гидрографов с гидрографами, построенными по калиброван­ ным радиолокационным данным и показаниям осадкомеров. В целом эти исследования показали, что использование калиброванных радиолока­ ционных данных действительно позволяет уточнить гидрограф по срав­ нению со случаем использования одних только показаний осадкомеров, расположенных в пределах бассейна. Такие уточнения незначительны при выпадении равномерных осадков на большой площади, но, как и следовало ожидать, существенны в случае изолированных ливней. Со­ ответствующие результаты были получены при калибровке радиолока­ тора по показаниям осадкомеров, расположенных в пределах или по­ близости от исследуемых бассейнов. В чисто оперативных системах это не всегда возможно. Предварительные результаты проекта РН СЗВ (см. п. 1.3.1.1), полученные на простых моделях ПНО (п. 1.2 и [79]), показывают, что при ливневых осадках калибровка часто получается нерепрезентативной и, если не проводить ручной контроль качества данных, прогнозы гидрографов будут плохими. Однако при фронталь­ ных осадках калибровка по данным нескольких осадкомеров, располо­ женных на краю или за пределами исследуемого бассейна, обычно ока­ зывается столь ж е надежной, как и калибровка по данным одного осад­ комера, расположенного в пределах бассейна, а гидрограф получается точным и без проведения ручного контроля .

Значительно большую работу потребуется провести, чтобы выяснить все проблемы, которые, вероятно, встретятся при использовании кали­ брованных радиолокационных данных в оперативных системах гидроло­ гического прогнозирования, и разработать методы, которые позволят улучшить прогнозы на основе новых данных. В работах [10, 26, 27] указывается, что в настоящее время нецелесообразно пытаться пол­ ностью автоматизировать радиолокационные измерения осадков и что для предотвращения появления крупных ошибок в этих данных необхо­ димо участие квалифицированного метеоролога .

1.4. Спутниковые и авиационные методы

В этом параграфе рассмотрим методы измерений с помощью приборов, устанавливаемых на спутниках и в отдельных случаях на высотных самолетах. Д л я того чтобы удовлетворить «статические» требования, перечисленные в табл. 1.1, обычно необходимо непосредственно интер­ претировать информацию, полученную в видимом диапазоне, т. е. про­ водить измерения прямо по фотоснимкам, имеющим соответствующее разрешение [88]. Д ля удовлетворения «динамических» требований нужны данные наблюдений в других участках спектра, либо приходится разрабатывать алгоритмы интерпретации данных, иногда очень слож­ ные. Мы остановимся здесь именно на динамических требованиях, по­ скольку они имеют фундаментальное значение для успешного гидроло­ гического прогнозирования .

1.4.1. Дождевые осадки Использование спутниковых данных для мониторинга дождевых осадков подробно рассматривалось в работе [14]. Ниже мы изложим только ос­ новные выводы в отношении точности измерений, достижимой с по­ мощью отдельных методов, и в заключение дадим сводку соответствую­ щих результатов .

1.4.1.1. Методы индексации облачного покрова

Первым был разработан метод оценкн количества осадков, связанный с определением коэффициента осадков или индекса облачности по осо­ бенностям поля облачности на спутниковых снимках в видимом или инфракрасном диапазоне, например по яркости изображения или тем­ пературе. Эти индексы связывают затем по уравнениям регрессии с по­ казаниями осадкомеров [13, 46, 47, 48]. Указанный способ давал непло­ хие результаты при определении количества осадков за периоды в не­ сколько суток или месяцев, в частности, по той причине, что спутнико­ вые данные можно было получать лишь через каждые 12 ч. Вскоре вы­ яснилось, что облака, которые выглядят одинаково, не всегда дают одинаковое количество осадков и требуется какая-то разновидность ка­ либровки. В работе [109] измерения наземным радиолокатором исполь­ зовались для выведения зависимости, позволяющей определить по спут­ никовым данным распределение «радиоэхо» за пределами зоны дей­ ствия радиолокатора. Метод не пригоден для установления точного количества осадков за период времени менее 1 сут на небольшой пло­ щади и на малых водосборах .

1.4.1.2. Методы определения количества осадков на основе наблюдений за развитием облачного покрова В работе [116] предложен метод определения количества осадков, вы­ падающих из конвективных облаков, по суммарной площади, занятой облаками, и скорости изменения этой площади. Находится объемная интенсивность осадков для конкретного облака R v = а 0Ас + а х {dAcjd t), (1.3) где А с ~~ площадь облака; d A J d t — скорость ее изменения; а 0 и а\ — эмпирические коэффициенты. Метод требует получения спутниковых снимков через частые интервалы времени, что возможно только при ис­ пользовании геостационарных (стационарных относительно Земли) спутников, но не спутников на полярных орбитах .

В работах [55, 56] изложены различные варианты указанного ме­ тода (см. такж е [133]). В работах [111, 112] из этой серии отмечается, что на выпадение осадков указывает сильная яркость изображения об­ лачности (низкая температура в вершине облака) и что обильные осадки выпадают при сильном понижении температуры в вершинах об­ лаков, при их развитии и слиянии. В работе [42] устанавливается, что скорость восходящих движений воздуха в вершине грозового облака коррелирует с максимумом радиолокационной отражаемости ливня, а минимальная температура черного тела, наблюдаемая за время ливня, коррелирует с объемным максимумом ливневых осадков. В целом этот метод дает приемлемые оценки только конвективных, но не фронталь­ ных осадков .

1.4.1.3. Биспектральный метод и модели облачного покрова

Приемники ИК-излучения иа спутниках дают информацию о темпера­ туре и, стало быть, косвенную информацию о высоте вершин облаков .

Приборы видимого диапазона дают информацию о толщине облаков, их очертаниях и составе. Если бы создать метод, объединяющий все эти сведения таким образом, чтобы можно было обнаруживать высокие об­ лачные вершины, соответствующие толстым облакам, то, поскольку из таких облаков вероятно выпадение значительных осадков, мы получили бы способ измерения количества дождя. К числу первых исследований такого рода относятся работы [43, 80, 105]. Однако из-за проблем, свя­ занных с присущими ТВ- и ИК-снимкам погрешностями регистрации, калибровкой приборов, разрывом во времени между последовательными снимками и меняющимися условиями освещения, результаты первых исследований оказались не столь обнадеживающими, как ожидалось .

Отчасти указанные проблемы были преодолены в работе [85]. Появился ряд исследований, в которых соответствующие проблемы пытались ре­ шать на основе моделей конвективных процессов с физических, а не статистических позиций [57, 134]. При этом удается установить районы выпадения осадков. Определение же количества осадков не столь успешно. Д л я этого, как и для точного определения площади выпадения осадков, спутниковые данные необходимо калибровать по данным под­ спутниковых наблюдений такого типа, какие дают радиолокаторы .

1.4.1.4. Пассивные микроволновые методы

Рассмотренные выше спутниковые методы связаны с измерениями в ви­ димом и инфракрасном участках электромагнитного спектра. Но есть и третий участок, в котором можно наблюдать с помощью приборов, уста­ навливаемых на спутниках. Это микроволновый диапазон частот от 3 до 300 ГГц (длины волн от 10 до 0,1 см), в котором работают также наземные радиолокаторы. Преимущество этого диапазона состоит в том, что в нем наблюдается собственно выпадение осадков, а облака пол­ ностью или почти полностью оказываются прозрачными .

Одним из первых приборов, примененных в метеорологии для изме­ рения естественного излучения в микроволновом диапазоне, был элек­ трический сканирующий микроволновый радиометр ESMR—5, выведен­ ный в космос на спутнике «Нимбус-5» в 1972 г. Проводились простые сопоставления данных, полученных с помощью ESMR—5 на частоте 19,35 ГГц (длина волны 1,55 см), с данными, полученными с помощью радиометров видимого и инфракрасного диапазона, показаниями на­ земного радиолокатора и данными обычных метеорологических наблю­ дений. Установлено, что над водной поверхностью отмечается связь областей сравнительно высоких яркостных температур (произведение температуры поверхности на излучательную способность поверхности) с областями осадков [118, 127, 128]. В работе [128] приведены кривые яркостных температур и интенсивности осадков, полученные с помощью модели, основанной на концепции множества оптически тонких слоев, ограниченных сверху неровной поверхностью замерзания. Считается, что рассеяние микроволнового излучения дождем происходит по з а ­ кону Релея. В этой ранней работе перечислен ряд проблем измерения, в частности, связанных с тем, что осадки редко бывают равномерными во всем поле обзора прибора, и отмечена нелинейность зависимости между интенсивностью осадков и яркостной температурой. В работе [126]' предложены уточнения метода, в том числе при измерениях осад­ ков над сушей рекомендовано наблюдать вертикальную и горизонталь­ ную поляризацию. Тем не менее, проводить измерения над сушей зна­ чительно труднее, что связано с изменчивостью излучательной способ­ ности подстилающей поверхности и, следовательно, фонового излучения, измеряемого прибором на спутнике .

1.4.1.5. Активные микроволновые методы

Поскольку наземный радиолокатор (п. 1.3) позволяет измерять осадки с приемлемой для многих гидрологических задач погрешностью, пред­ ставляется логичным исследовать возможность применения радиолока­ торов со спутников (так называемые активные микроволновые спутни­ ковые системы). Можно ожидать, что радиолокатор на спутнике обес­ печит гораздо больший пространственный охват, чем наземный радио­ локатор, но меньшее разрешение .

В работе [6] утверждается, что «в отсутствие ограничений на коли­ чество спутников, размеры антенн и энергию спутниковые активные микроволновые системы позволили бы получать точную глобальную картину распределения интенсивности осадков». Проблемы заполнения радиолокационного луча и нежелательных влияний радиоэхо от поверх­ ности земли можно решить, используя достаточно большие антенны .

Однако практические ограничения на размер антенн требуют исполь­ зования более коротких волн, а они ослабляются обильными осадками .

В качестве одного из возможных решений в указанной публикации (см. такж е [69]) предлагалось вести наблюдения на двух разных вол­ нах, одна из которых ослабляется, а другая нет. Еще одна проблема заключается в том, что время осреднения сигнала, необходимое для на­ дежной оценки энергии радиоэхо, требует либо очень высокой частоты повторения радиолокационных импульсов, либо очень медленной раз­ вертки .

В работе [7] предлагается исследовать следующие возможности:

1) использование усовершенствованного радиолокационного альти­ метра, работающего на частоте 13,5 ГГц (длина волны 2,2 см), в соче­ тании с ЙК-снимками или наблюдениями с помощью пассивного микро­ волнового радиометра;

2) использование двухволнового сканирующего радиолокатора (на­ пример, с волнами 0,86 и 3 см);

3) использование радиолокатора для наблюдения ослабления на наземной мишени и калибровка измерений ослабления с учетом рассеи­ вающих характеристик поверхности .

Первый вариант наблюдений самый простой и сопряжен с минималь­ ными затратами, но он имеет тот серьезный недостаток, что ограничен измерениями только в надире. Выход из этого положения видится в ис­ пользовании ИК-снимков или пассивного микроволнового радиометра для определения площади осадков и калибровке количества осадков по показаниям радиолокационного альтиметра .

Использование коротковолнового радиолокатора ( 3 см) позво­ лило бы получить очень узкий луч при размере антенны, допустимом из практических соображений. Интенсивность осадков определялась бы по измерениям отражательной способности и ослаблению, рассчитывае­ мому по данным наблюдений на двух длинах воли. Сканирующая си­ стема обеспечила бы широкий охват поверхности наблюдениями. К со­ жалению, сильное ослабление сигналов будет происходить уже при осадках умеренной интенсивности, что ограничит достижимую точ­ ность .

Наконец, зависимость между разницей в рассеивающей способно­ сти поверхности в условиях дождя и без дождя и ослаблением при про­ хождении сигналов через область выпадения дождя можно использовать для калибровки измерений ослабления сигналов, наблюдаемого из кос­ моса. Однако рассеивающая способность зависит от влажности почвы и пока неясно, какое осреднение по площади необходимо, чтобы решить эту проблему. Перечисленные методы еще далеки от того, чтобы их мо­ жно было использовать в оперативной деятельности. Тем не менее они открывают, хотя и не в ближайшем будущем, возможность охвата из­ мерениями осадков всего земного шара .

1.4.1.6. Погрешности спутниковых измерений осадков

Всем методам, упомянутым в данном разделе, присущи свои погрешно­ сти измерения. Однако большинство соответствующих оценок получено на ограниченной эмпирической основе, что являет противоположность исследованиям погрешностей некоторых методов наземных радиолока­ ционных наблюдений, изучавшихся непрерывно на протяжении ряда лет. В работе [86] рассматриваются источники погрешностей измере­ ния осадков по спутниковым данным видимого и инфракрасного диапа­ зонов, сопоставляются различные методы. Возможности микроволно­ вых методов обсуждаются в работе [87], а такж е в работе [84], где упоминается множество исследований, проведенных по этому вопросу в СССР. В указанных работах отмечается, что рассчитывать на улуч­ шение измерений осадков можно лишь при использовании систем с очень высоким пространственным ( 1 0 км) и временным («*1 ч) разрешением. В частности, в работе [84] указывается, что определен­ ный прогресс может быть достигнут при условии сочетания наблюдений в видимом и инфракрасном диапазонах с наблюдениями методами активной микроволновой радиолокации .

В табл. 1.2 дана сводка погрешностей измерений осадков различ­ ными спутниковыми методами согласно имеющихся публикаций. При анализе данных табл. 1.2 выясняются два обстоятельства. Во-первых, большинство оценок с минимальной погрешностью получено при пло­ щади осреднения более 103 км2 и, следовательно, соответствует средним и большим речным бассейнам. Однако некоторые методы позволяют проводить измерения в районах размером до 50 км2 или ж е в районах, достигающих глобальных размеров. Во-вторых, большинство исследо­ ваний посвящено измерениям конвективных, а не фронтальных осадков .

В их нынешнем виде большинство упомянутых методов для измерения фронтальных осадков не пригодно. Первый из этих выводов подтверж­ дается работой [9], где указывается, что наилучшее соответствие спут­ никовых измерений осадков по методу Гриффитса—Вудли с данными Таблица 1.2

–  –  –

осадкомеров и радиолокационными измерениями достигается для ше­ стичасовых периодов на площади 9350 км2 (наибольшая рассматривае­ мая площадь). Самое плохое соответствие обнаружено для получасо­ вых сумм осадков на площади 55 км2. Наименьшая погрешность изме­ рений осадков при всех типах дождя, по-видимому, достигается при использовании наблюдений в видимом и инфракрасном диапазонах [85, 86], когда погрешность сумм осадков за 0,5— 1 ч на площади по­ рядка 105 км2 оказывается равной примерно 49 %. Другие методы [54], предназначенные для измерения конвективных осадков, позволяют д о­ стичь такой погрешности над районами размером примерно Ю4 км2 .

Возможности активного микроволнового зондирования окончательно еще не выяснены .

Из всего сказанного можно сделать следующие основные выводы:

1. Характеристики осадков меняются на коротких отрезках времени и, чтобы измерять осадки в этих временных масштабах, необходимы данные со спутников, расположенных на геостационарных орбитах. Вы­ сокую повторность наблюдений с полярных орбит можно обеспечить только при использовании большого количества спутников .

2. Изменчивость осадков в пространстве тоже очень велика. Для изучения ее со спутников необходимо использовать либо высокие ча­ стоты, либо антенны больших размеров. Д л я наблюдений осадков с гео­ стационарных спутников размеры антенн должны быть очень велики .

Применение активной локации осложняется такж е необходимостью мощных источников энергии .

1,4.2. Снег Сезонные изменения снежного покрова можно проследить по спутни­ ковым ТВ-снимкам, но для точной классификации типов снега и уста­ новления его распределения необходимо использовать наблюдения в нескольких диапазонах спектра и цифровую модель местности [82] .

Методам, используемым в СССР, посвящена обзорная работа [42], а в других странах — работы [102, 104] .

Вообще говоря, гидрологов интересует водный эквивалент снежного покрова и его пространственное распределение. Методы измерений по снимкам в видимом и инфракрасном диапазоне [89] ограничиваются определением состояния поверхности снега, тогда как микроволновые, все равно — пассивные или активные, измерения позволяют производить прямой расчет водного эквивалента. В работе [115] приведены резуль­ таты экспериментов по использованию активных и пассивных микровол­ новых систем, показывающие возможности этих методов зондирования для наблюдения подповерхностных характеристик снежного покрова .

В оперативной деятельности эти методы пока не применяются .

Особенно важно для гидролога следить за таянием снежного по­ крова, чтобы оценить возможный сток. Соответствующие методы, ис­ пользуемые в СССР, изложены в работе [122], используемые в Ев­ ропе— [95] и используемые в С Ш А — [103], В частности, в работе [95] показано применение спутниковых данных с высоким разрешением и наблюдений наземных станций в гидрологических исследованиях по использованию талого стока для производства гидроэнергии .

Хотя спутниковые методы измерения водного эквивалента снега имеют достоинство большого пространственного охвата, разрабаты ва­ лись и другие методы, связанные с использованием приборов, которые устанавливаются на самолетах. Такие измерения полезно выполнять ввиду того обстоятельства, что характеристики снежного покрова на протяжении большей части зимнего сезона меняются лишь очень мед­ ленно— ото дня ко дню, а не от часа к часу, и с помощью авиации можно осуществлять достаточно точное зондирование. В соответствую­ щих методах использовано явление ослабления снегом естественного гамма-излучения, испускаемого из почвы калием-40 и изотопами ториевого и уранового ряда. Водный эквивалент снега вычисляют путем сравнения излучения из почвы до и после выпадения снега .

Исследования по созданию практических методов измерений гаммаизлучения проводились в СССР [120], США [98], Норвегии [41] и К а ­ наде [83]. В [52] сообщается, что при авианаблюдениях с высоты 90 м погрешность определения водного эквивалента 140 мм составляет 16 мм, а с высоты 210 м — 35 мм. Понятно, что такой метод наблюдений трудно реализовать в холмистых районах. Однако там, где нет других возможностей определения водного эквивалента, этот метод приме­ няется в настоящее время в оперативной практике [33] .

3 Заказ N 256 ® 33 1.4.3. Влажность почвы и испарение Известны несколько методов измерения влажности почвы (подробнее см. в [110]):

1. Использование ТВ-снимков. К сожалению, соотношение между спектральным коэффициентом отражения почвы и содержанием влаги зависит еще от нескольких переменных, таких как структура почвы и содержание в ней органики. Поэтому наблюдения отраженной энергии не позволяют рассчитывать на успех .

2. Использование ИК-снимков. Суточную амплитуду температуры подстилающей поверхности или разность между температурой воздуха и температурой внутри посевов можно связать с влажностью почвы [66, 67]. В работе [32] приводится описание эмпирического способа опреде­ ления суточной амплитуды температуры по измерениям, выполненным в 1978— 1980 гг. со спутника с помощью прибора НСММ (Heat C apa­ city M apping Mission) для картирования теплоемкости почв .

3. Пассивное микроволновое зондирование. Микроволновый радио­ метр измеряет тепловое излучение от поверхности земли. Интенсивность этого излучения пропорциональна произведению температуры подсти­ лающей поверхности иа ее относительную излучательную способность (аппроксимация Релея—Д ж инса). Эта величина известна как яркостная температура Тв — та самая, которая упоминалась в п. 1.4.1.4. З н а ­ чение Тв, измеряемое радиометром на высоте над землей, определяется как т В — т ( r T s k y — (1 — r ) T soil) -}- Т a t m, (1 * 4 ) где г — отражательная способность подстилающей поверхности и х — коэффициент прозрачности атмосферы. Первый член в этом уравнении представляет собой яркостную температуру небесного свода в отражен­ ных лучах, которая зависит от длины волны излучения и атмосферных условий; второй член характеризует излучение, испускаемое почвой ( 1 — г = е означает излучательную способность); третий член характе­ ризует вклад атмосферы между поверхностью земли и приемником из­ лучения. Д л я измерения влажности почвы наблюдения производят на более длинных волнах, на которых влияние атмосферы станозится минимальным .

В раб оте[70] описывается, как в объеме почвы возникает тепло­ вое микроволновое излучение. При этом количество энергии в любой точке зависит от диэлектрических характеристик (главным образом от влажности) и температуры почвы. На процесс переноса энергии сквозь почву влияют диэлектрические градиенты (влажность почвы) вдоль пути распространения излучения. Поток энергии, проходящий через поверх­ ность почвы, уменьшается соответственно коэффициенту эффективного пропускания (излучательная способность), который зависит от диэлек­ трических характеристик почвы вблизи поверхности. Слой почвы, опре­ деляющий коэффициент пропускания, имеет толщину в несколько де­ сятых длины волны, например, 2—5 см для волны 21 см. Эта глубина и представляет собой эффективную глубину зондирования влажности почвы в данном методе .

4. Активное микроволновое зондирование. Обратное рассеяние ми­ кроволнового излучения от такой протяженной мишени, как почва, х а ­ рактеризуется коэффициентом рассеяния Vo от мишени. При заданных параметрах приемника (длина волны, поляризация и угол падения излучения относительно вертикали) Vo для голой почвы является функ­ цией шероховатости поверхности почвы и диэлектрических характери­ стик, которые зависят от влагосодержания. Изменения Vo в зависимо­ сти от влажности почвы, шероховатости ее поверхности, угла падения и частоты излучения изучались в условиях наземных экспериментов в США [119]. Результатов авиационных наблюдений пока не сооб­ щалось .

Данные активного микроволнового зондирования предлагалось ис­ пользовать в моделях баланса влажности почвы для оценки испарения с площади [21]. Соответствующие модели основаны на условии сохра­ нения массы SM, -= S M t_i + P - R - L — E — T + C — Q, (1.5) где S-M*— запас почвенной влаги в момент времени /; S M t- \ — то ж е в предшествующий момент; Р — осадки; R — поверхностный сток; L — результирующий боковой подземный отток; Е — испарение или конден­ сация; Т — транспирация; С — капиллярный подъем влаги с нижних го­ ризонтов; Q — просачивание .

По известной влажности почвы можно вычислять другие параметры, и наоборот. Тем не менее, большинство методов дистанционного зонди­ рования в практике оперативных наблюдений не используется, хотя их пригодность для этого доказана. В настоящее время на практике предпочитают использовать менее точные традиционные способы изме­ рения осадков и испарения в сочетании с методом водного баланса .

1.5. Необходимость комплексного подхода к использованию данных дистанционного зондирования в гидрологическом прогнозировании Основное достоинство методов дистанционного зондирования при изме­ рении параметров, используемых в гидрологическом прогнозировании, заключается в возможности получения данных по обширным площадям почти в реальном времени и обычно из одного пункта. По мере усовер­ шенствования дистанционного зондирования и у гидрологов, и у метео­ рологов появляется соблазн сравнить измерительные возможности отдельных методов, не вникая в вопрос о том, одинаковые ли параметры они измеряют. В частности, это относится к наземным радиолокацион­ ным и к спутниковым методам измерения осадков, которые порой срав­ нивают, чтобы выбрать какой-нибудь один из них. Д ля применения радиолокаторов на площадях более 103 км2 необходимо увеличивать число калибровочных осадкомеров, которые, видимо, с равным успехом можно было бы использовать и для улучшения спутниковых измерений осадков. Однако процедуры определения количества осадков по спутни­ ковым данным менее надежны. Если свести воедино данные рис. 1.3 и табл. 1.2, как это сделано на рис. 1.5, то можно ясно видеть, что в на­ стоящее время радиолокационные и спутниковые методы взаимодополняют друг друга. Данные, по которым составлен рис. 1.5, получены с помощью методов, предложенных для наблюдений с полярно-орбиталь­ ных и геостационарных спутников. Д л я этих методов характерно разно­ образие повторностей наблюдений и разрешений по пространству. Пред­ ставленные на рис. 1.5 результаты оценки методов относятся к случаю ежечасных измерений. Многие методы пригодны для измерений в р а з­ ных пространственных и временных масштабах. Спутники больше 3* 35 подходят для определения количества осадков над обширными террито­ риями. Эта точка зрения получила отражение в материалах коллок­ виума по измерениям осадков из космоса [5]. В районах, в которых невыгодно использовать радиолокатор, а обычные измерения проводятся на редкой сети, спутники позволяют получать полезные для гидрологи­ ческого прогнозирования данные в обширных водосборах ( ^ 1 0 4 км2) .

В связи с появлением огромного количества данных дистанционного зондирования валено автоматизировать подготовку определенных мате

–  –  –

риалов. Например, если иметь в виду количественные прогнозы осадков, о которых идет речь в работах [18, 31, 121], то необходимо объединять радиолокационные, спутниковые и обычные метеорологические данные и давать прогнозы для конкретных бассейнов или групп бассейнов. По­ этому надо разработать общесистемный подход к прогнозированию осадков, на что указывается в работе [26]. Соответствующие объеди­ ненные системы создаются в настоящее время в Англии [30], США [2, 20], Канаде [19], Швейцарии [74], Швеции [23], Японии [117]. Их внедрение в оперативную практику позволит предоставлять гидрологам надежные краткосрочные прогнозы осадков (с заблаговременностью до 6 ч) .

Однако упомянутый общесистемный подход доллен распростра­ няться такж е и на гидрологическое прогнозирование. В работе [77] указывается, что для своевременного и надежного обеспечения гидро­ логов информацией, необходимой для предсказания наводнений, нужно с самого начала (а ие по мере появления потребностей) создавать такую компьютерную систему, которая охватывала бы все аспекты сбора, распространения и использования информации .

1.6. Перспективы применения дистанционного зондирования

Как утверждалось вн а ч а л е этой главы, радиолокационные и спутнико­ вые наблюдения позволяют получить некоторые количественные д а н ­ ные, требующиеся в моделях гидрологического прогнозирования. Посте­ пенно методы дистанционного зондирования начинают проникать в практику (см., например, [12, 38, 88]), но дело движется медленно .

Это объясняется, по-видимому, двумя причинами. Во-первых, это про­ блема стоимости и технической сложности оборудования и, во-вторых, сомнения в возможности значительного улучшения гидрологического прогнозирования .

Капитальные затраты по созданию системы радиолокационных на­ блюдений достигают нескольких сот тысяч долларов, но в развиваю­ щихся странах дело обычно упирается не столько в стоимость обору­ дования, сколько в отсутствие опыта его использования. Внедрение спутниковых систем наблюдений связано с меньшими техническими трудностями, поскольку оборудование для приема спутниковой инфор­ мации более простое. Однако и радиолокационные, и спутниковые си­ стемы требуют применения ЭВМ, а следовательно, программного обес­ печения для обработки данных и участия специалистов, которые ана­ лизировали бы эти данные. Вероятно, развитые страны будут продол­ жать использовать и совершенствовать такие системы. Развивающиеся же страны не смогут воспользоваться преимуществами новых методов наблюдений, пока не появятся надежные автономные системы промыш­ ленного образца, включающие соответствующие тренажные комплексы .

Исследователи ряда стран приступили к выяснению возможностей усовершенствования гидрологического прогнозирования, но еще больше работы предстоит впереди. В пп. 1.3 и 1.4 показано, что методы дистан­ ционного зондирования почти полностью позволяют удовлетворить тре­ бования к гидрологическим данным, перечисленные в табл. 1.1. Однако оперативные системы, которые позволяли бы установить, насколько указанные возможности методов дистанционного зондирования удается реализовать в повседневной практике, лишь только начали появляться .

Наконец, одно из самых важных требований гидрологического про­ гнозирования, именно, наличие надежных прогнозов осадков, пока не удается удовлетворить. Некоторые проверки гидрологических моделей на чувствительность, проведенные с целью изучения влияния заблаго­ временности прогнозов осадков на точность гидрографов [34], указы­ вают на необходимость дальнейших исследований с применением реаль­ ных, а не имитированных данных. Мы не могли остановиться здесь на разнообразных исследованиях, ведущихся в настоящее время в целях усовершенствования методов прогнозов и осадков. Однако, как уже упо­ миналось в п. 1.5, метеорологи считают возможным существенно улуч­ шить местные прогнозы погоды с заблаговременностью до б ч [27] .

Если это удастся, то будет заложена основа для дальнейшего прогресса в области гидрологического прогнозирования .

С П И С О К Л И Т Е РА Т У РЫ

–  –  –

2.1. Введение В одной из статей газеты «Дейли Телеграф» от 3 августа 1981 г. рас­ сказывалось, как в 1943 г. с немецкой подводной лодки предпринима­ лась попытка установить на отдаленном северо-восточном побережье Канады автоматическую метеостанцию (АМС), оборудованную устрой­ ством для передачи данных. Должно быть, то была первая АМС, дейст­ вительно дистанционно действующая в том смысле, в каком мы будем говорить в этой главе. Приборы, регистрировавшие отдельные перемен­ ные, конечно, появлялись и раньше. Считается, что первую примитив­ ную АМС, которая демонстрировалась в Королевском обществе еще в 1679 г. [3], сконструировал Роберт Хук (Robert Hooke) (1635— 1703) .

Но в устройствах этого рода применялись механические методы регист­ рации, как например, в биметаллическом термографе, который дает запись температуры в виде чернильного следа на бумажной ленте, про­ тягиваемой с помощью часового механизма. На бумажных лентах реги­ стрировались результаты измерений осадков, влажности и ветра. По­ добные устройства применяются в наши дни и будут использоваться еще долгое время .

Первый шаг на пути к созданию современных АМС связан с появ­ лением электрических датчиков, позволяющих регистрировать резуль­ таты наблюдений на электрических самописцах. Следующим шагом явилась регистрация показаний датчиков в форме, пригодной для об­ работки на ЭВМ,— на перфолентах и, что особенно важно, на магнит­ ной ленте. Это стало возможным в середине 60-х годов, когда начала быстро развиваться микроэлектронная промышленность и получили ши­ рокое распространение ЭВМ. Телефонная и радиосвязь позволили осу­ ществлять дистанционную передачу данных .

В данной главе прослеживается история создания АМС, начиная с середины 60-х годов, рассматриваются станции, регистрирующие дан­ ные на местах, и телеметрические АМС. Если для гидрологических иссле­ дований нужны длинные ряды данных, то для оперативных нужд при­ кладной гидрологии обычно требуются данные в реальном времени, ко­ торые сразу же используются, например, в прогностических моделях .

С точки зрения необходимого приборного обеспечения разница между этими двумя требованиями невелика. Это особенно заметно при исполь­ зовании новых типов цифровых регистраторов, которые вырабатывают выходные сигналы, обеспечивающие возможность непосредственного подключения телеметрических модемов, кассетных магнитофонов, печа­ тающих устройств и микрокомпьютеров. Действительно, такие станции могут как регистрировать информацию на месте, так и осуществлять ее дистанционную передачу .

Речь будет идти главным образом о небольших АМС, размещаемых в отдаленных местах и действующих без вмешательства человека, не требующих подключения к электрической сети и посещаемых самое большее раз в неделю, а обычно и реже. Тем не менее все сказанное об АМС указанного типа относится и к крупным стационарным уста­ новкам, встречающимся в аэропортах и используемым национальными метеослужбами для сбора синоптических данных .

Полезно отметить различия между применениями АМС в гидрологии и метеорологии. Метеоролог либо занимается прогнозами на основе синоптических данных, и тогда важное значение имеет дистанционная их передача, либо проводит исследования крупномасштабных движ е­ ний воздушных масс. В том и другом случае данные требуются по боль­ шим районам земного шара. Гидролога же обычно интересует лишь то, что происходит в пределах изучаемого бассейна или бассейна, в кото­ ром регулируется сток. Исключением будет лишь случай, когда гидролога-прогнозиста беспокоит приближение сильного ливня из районов, расположенных за пределами бассейна. Д л я гидролога-исследователя такие события не представляют интереса и единственное, что ему ну­ жно, это ряды данных, собранных целиком внутри бассейна. Однако гидрологам требуется больше данных, чем дает АМС. Она необходима им главным образом для оценки потерь воды в результате испарения, хотя АМС, имеющая в числе своих датчиков осадкомер, позволяет измерить и поступление воды на водосбор, В случае небольших бас­ сейнов может быть достаточно одного осадкомера, но в больших бассей­ нах бывает необходимо создавать сети осадкомеров, так как количество осадков изменяется в пространстве сильнее, чем испарение. Гидрологу может понадобиться и другая информация, например, в зависимости от сложности разрабатываемой модели необходимы данные об усло­ виях подземного стока, когда нужно измерить влажность почвы, д а в ­ ление почвенной влаги и, возможно, уровень водного зеркала. Наряду с осадками наиболее важной переменной обычно является сток с бас­ сейна, в связи с чем приходится создавать гидрометрические станции .

Большой интерес для исследователей и гидрологов—практиков пред­ ставляет качество стекающей воды и качество самих осадков (их pH) .

Хотя в данной главе рассматриваются главным образом АМС, кратко упоминаются и эти дополнительные переменные. Подробные сведения о методах измерений и наблюдений можно найти в Руководстве по гид­ рологической практике (Guide to Hydrological Practices. — WMO, 1985) .

2.2. Основные компоненты современных автоматических метеостанций

В АМС, схематически показанной на рис.

2.1, можно различить семь основных компонентов:

1) датчики, которые в ответ на воздействия окружающей среды вырабатывают электрические сигналы, но не всегда в такой форме, которая позволяет непосредственно вводить их в цифровой регистратор;

2) интерфейс — устройство, в котором сигналы датчика преобра­ зуются в форму, приемлемую для цифрового регистратора;

3) цифровой регистратор — автоматическое регистрирующее уст­ ройство, в которое поступают сигналы от нескольких датчиков. В ре­ гистраторе сигналы анализируются, представляются в цифровом виде и регистрируются на магнитной ленте либо накапливаются в запоми­ нающем устройстве на твердых носителях;

4) блок питания, состоящий из аккумуляторов или солнечных ба­ тарей;

–  –  –

5) телеметрический блок, который может входить в систему наряду с регистратором, а иногда вместо него. Применяется телефонная или радиосвязь, в том числе через геостационарные спутники;

6) устройство воспроизведения данных, которое позволяет считы­ вать данные с магнитной ленты или вызывать их из запоминающего устройства для введения в ЭВМ;

7) ЭВМ преобразует исходные данные в средние значения и суммы, которые выражены в реальных единицах и могут быть распечатаны, накоплены иа магнитной ленте или дисках либо воспроизведены на дисплее. При использовании программируемых регистраторов ЭВМ ста­ новится менее необходимой, поскольку обработка данных частично осу­ ществляется тогда в самом регистраторе .

Рассмотрим особенности устройства и функции основных компонен­ тов АМС в том порядке, в каком они перечислены выше .

2.3. Датчики

–  –  –

Примерно такова интенсивность солнечного излучения в полдень в Ве­ ликобритании в июне, что обеспечивает общее поступление энергии по­ рядка 7 кВт*ч на 1 м2 за сутки. Общеупотребительной стала также такая единица, как джоуль, связанная с ваттом зависимостью (по опре­ делению) 1 Вт — 1 Д ж • с” 1 (интенсивность излучения) .

–  –  –

Существуют два типа электрических датчиков интенсивности солнеч­ ного излучения: термические и фотоэлектрические. Обычными фото­ детекторами являются сульфид и селенид кадмия (фотопроводники), а также кремний и селен (фотогальваники). Тот и другой тип неодина­ ково чувствительны на разных участках солнечного спектра, но крем­ ниевые датчики имеют при этом менее островершинную характеристику, чем фотопроводники, и более привлекательны как приемные устройства ввиду их дешевизны. Их более узкая спектральная чувствительность, недостаточная в инфракрасной области спектра, мало сказывается ка точности измерений. И, однако, в метеорологии сейчас чаще используют

–  –  –

датчики теплового типа. Их действие основано на поглощении солнеч­ ной энергии, поступающей на зачерненную поверхность и вызывающей повышение ее температуры, которое измеряют с помощью термопары .

Воспринимающая поверхность защищена стеклянной полусферой, ко­ торая пропускает весь спектр солнечного излучения. При длинах волн излучения больше примерно 4,2 мкм пропускающая способность стекла резко ухудшается, что позволяет защитить воспринимающую поверх­ ность от длинноволнового излучения земного происхождения. В боль­ шинстве конструкций датчиков под солнцем одновременно с «горячей», черной поверхностью экспонируется «холодная», белая поверхность .

Вместе они образуют спаи термопары. Черная поверхность поглощает энергию, а белая отражает ее (рис. 2.4). Длинноволновое излучение обе поверхности поглощают одинаково хорошо, но через стеклянную полу­ сферу оно почти ие проникает, а то небольшое его количество, которое поступает к датчику, исходит от самой полусферы. В одной из конст­ рукций «холодным» спаем служит металлический корпус датчика, ко­ торый экранируется от солнца белым диском и благодаря этому 4 Заказ № 256 приобретает температуру наружного воздуха. В разных конструкциях датчиков термоэлементы могут изготавливаться из разных материалов .

В одном из типов датчиков термоэлемент имеет 14 манганин-константановых спаев, в другом типе используются золото-палладиевые и платино-родиевые спаи. Создавая ими э. д. с. на выходе также различна, но обычно находится в пределах максимум 10—40 мВ .

Тепловые датчики указанных типов — устройства точные, но су­ ществуют и источники погрешностей. В результате неравномерного на­ грева двух спаев может отмечаться дрейф нуля прибора. Его чувстви­ тельность может меняться при изменении угла падения излучения. Ста­ рение воспринимающей поверхности приводит к изменению калибровки, как и наличие пыли или изморози на поверхности полусферы. Погреш­ ности могут возникать и из-за неточности нивелировки .

Калибровку датчиков солнечного излучения проводят путем их экс­ понирования в солнечный день одновременно с каким-либо стандарт­ ным прибором. Д алее интегрируются выходные сигналы датчиков и прибора и сравниваются полученные суточные суммы. Более удобный, но и более дорогой способ — экспонировать датчики в белой комнате с полусферическим потолком, освещенным лампами заливающего света .

Теоретически повторную калибровку датчиков нужно производить еже­ годно, но, как показывает практика, соответствующие изменения до­ вольно малы .

В интерфейсе выходной сигнал датчика усиливается от значения в несколько милливольт до уровня, требуемого регистратором, обычно в несколько вольт. При использовании операционных усилителей на ин­ тегральных схемах это не составляет трудности. Однако нужно получить значение суммарной энергии, поступившей за некоторый период. Этого можно достичь, выполняя частые определения мгновенных значений энергии излучения и затем суммируя их в ЭВМ или в самом регистра­ торе .

2.3.2. Остаточная радиация (радиационный баланс) 2.3.2.1. Ее особенности как переменной величины и единицы измерения В среднем по земному шару поверхности Земли достигает примерно 50 % солнечной радиации, поступающей к внешней границе атмосферы (см. рис. 2.3). Из этих 50 % обратно в космос отражаются 5 % (альбедо) и остается 45 %, которые могут израсходоваться на нагревание поверх­ ности Земли, обогрев воздуха и испарение воды. Нагретая поверхность Земли переизлучает часть этой энергии в длинноволновой инфракрас­ ной части спектра с длинами волн от 4 до 50 мкм (см. рис. 2.2). В от­ личие от коротковолнового солнечного излучения это длинноволновое излучение называют излучением Земли. В космос уходит примерно лишь 10 % переизлучаемой энергии, а остальная часть поглощается водяным паром и углекислым газом, присутствующими в атмосфере .

Примерно 90 % поглощенного остатка затем снова излучается к поверх­ ности Земли в виде так называемого «встречного излучения». Разница между значением солнечной радиации плюс встречное излучение и от­ раженной солнечной плюс длинноволновой земной радиацией назы­ вается остаточной радиацией. Благодаря ей возникают три потока: по­ ток ощутимого тепла (нагретый воздух), поток тепла в почве (нагре­ тая почва) и поток скрытого тепла (испарившаяся вода). При участии процессов, упоминаемых в одном из последующих разделов главы, на­ гретый воздух переносится в тропосфере, которая в конечном счете н из­ лучает значительную часть этой тепловой энергии обратно в космос .

Именно этим путем происходит основная потеря энергии, а не в резуль­ тате длинноволнового излучения от поверхности Земли. Остаточная р а ­ диация измеряется в таких же единицах, что и солнечная .

2.3.2.2. Измерение остаточной радиации

Для восприятия остаточной радиации используют зачерненную поверх­ ность подобно тому, как поступают при наблюдении солнечной радиа­ ции. Однако широкий спектр остаточной радиации (0,1—60 мкм) не позволяет использовать стеклянные полусферы, поскольку стекло для всех длинноволновых излучений непрозрачно. Вместо стекла применяют какой-либо пластик, например, полиэтилен. Хотя и полиэтилен имеет полосы поглощения, они настолько узкие, что этим молено пренебречь .

В некоторых датчиках используются тончайшие полусферы, форму ко­ торых поддерживают путем непрерывной продувки азота из баллона:

чем тоньше полусфера, тем меньше сказывается иа измерениях влияние спектральных характеристик пластика, из которого она изготовлена .

Но при этом приборы становится затруднительным использовать в от­ даленных районах, поскольку приходится транспортировать тяжелые баллоны с газом. Так как нужно измерять и приходящую, и уходящую радиацию, используют две зачерненные поверхности, одна из которых обращена вверх, а другая вниз. Разница их температур представляет показатель обмена остаточной энергией. Предложен датчик [21], не имеющий защитной полусферы и подвергающийся прямому воздейст­ вию радиации (и погодных факторов). Чтобы учесть влияние ветра, прибегают к принудительной вентиляции зачерненной поверхности. По­ скольку для вентилятора нужна энергия и датчик нельзя использовать во время дождя и при выпадении других видов осадков, подобные при­ боры не находят применения в АМС. В обычно применяемых типах приборов, которые поставляются рядом изготовителей и мало отли­ чаются друг от друга, имеется две пластмассовые полусферы, защищаю­ щие два зачерненных диска. Верхний диск обычно служит горячим спаем, а нижний — холодным спаем термоэлемента. В ночное время и в условиях зимнего периода нижиий диск может нагреваться сильнее верхнего, и тогда полярность сигнала изменяется. Уровни выходных си­ гналов являются такими же, как в случае датчиков для измерения сол­ нечной радиации, и находятся в пределах 10—30 мВ в зависимости от конструкции прибора. Типичный датчик показан на рис. 2.5 .

Измерениям остаточной радиации присущи такие лее погрешности, как и измерениям солнечной радиации. Остаточную радиацию далее труднее измерить из-за таких дополнительных проблем, как оптическое несовершенство защитных полусфер, постепенное загрязнение их по­ верхности и старение под действием солнечного света. Вода, роса и изморозь сильнее поглощают длинноволновое излучение. А поскольку верхняя часть прибора больше подверлеена неблагоприятным условиям, чем нижняя, имеет место неравномерное старение. Измерения остаточ­ ной радиации считаются хорошими, если выполнены с точностью 15% 18] .

4* 51 Калибровку датчиков остаточной радиации можно проводить при естественном солнечном освещении таким же способом, как и калиб­ ровку датчиков солнечной радиации. В лабораторных условиях осу­ ществить ее более сложно. Р1з-за того, что все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают в длинноволновом диапазоне, приходится

–  –  –

прибегать к разнообразным мерам предосторожности. Д л я проведения калибровки Метеорологическое бюро Великобритании использует спе­ циальное помещение, освещаемое лампой накаливания мощностью 1 кВт в режиме недогрузки .

Устройство интерфейса при регистрации остаточной радиации почти такое же, что и при регистрации солнечной радиации. Предусмотрено только изменение полярности сигнала путем смещения нуля усилителя .

2.3.3. Температура

–  –  –

честве, над неровностями земной поверхности образуются пузыри теплого воздуха, которые поднимаются вверх, — конвекция становится очень эффективным процессом переноса тепла. Но температура воздуха зависит не только от этих сиюминутных локальных эффектов, но и от недавних событий в истории воздушной массы. Именно совместное влияние тех и других и определяется датчиком температуры. На поверх­ ности Земли отмечались температуры в диапазоне от минимума —88,3°С в Антарктиде до максимума 57,8°С .

2.3.3.2. Измерение температуры

Есть несколько хорошо апробированных методов электроизмереиий тем­ пературы. Простейший и самый распространенный метод заключается в определении электрического сопротивления платиновой проволоки или термистора. Использование платины объясняется ее сравнительна высоким для металла температурным коэффициентом, почти линейными характеристиками в широком интервале температур и химической устойчивостью. В соответствующих датчиках сопротивление платиновой 5а проволоки при О °С обычно составляет 100 Ом. Сопротивление терми­ сторов изменяется гораздо сильнее, чем у платины, но их характери­ стики нелинейны. Однако миниатюрные размеры термисторов позво­ ляют использовать их, например, для измерения температуры листьев растений и в тех случаях, когда интересуют быстрые флюктуации тем­ пературы. В случае АМС этого обычно не требуется. Распространен метод измерения температуры с помощью термопары, в которой два разных металла в контакте создают небольшую разность потенциалов, которая зависит от температуры (медь с константа ном создают р а з­ ность потенциалов 44 мкВ-°С_!). Отдельные термопары можно объеди­ нить в группы и получить термоэлемент, обеспечивающий большее вы­ ходное напряжение. Именно такой способ реализован в датчиках солРкс. 2.7. Миниатюрный термометрический экран .

Видны две верхние пластины с изолирующим воздушным зазором между ними и установленные ниже платиновые термометры сопротивления. В сосуде находится зап ас воды дл я смачивания одного из термометров. См. такж е рис. 2.23 и 2.24 .

нечной и остаточной радиации. В этом случае термоэлемент особенно целесообразно использовать, поскольку измеряется разность темпера­ тур. Для определения абсолютных значений.температуры воздуха тер­ моэлементы менее пригодны, поскольку один спай при этом нужно под­ держивать устойчиво холодным. В последнее время температуру стали измерять по обратному току насыщения диодов и применять для этого транзисторы. Но такой метод не имеет особых преимуществ сравни­ тельно с методом сопротивлений. Разработаны также сложные и доро­ гостоящие датчики, в которых используется зависимость скорости звука в воздухе и частоты колебаний кварцевого кристалла от температуры, однако такие датчики применяются лишь в специальных областях ис­ следований к непригодны для АМС. Самым распространенным датчи­ ком, вероятно, остается платиновый термометр сопротивления, а затем термисторы. Эти устройства надо защищать от солнечной радиации, чтобы исключить нагревание от нее. В этих целях устраивают своего рода миниатюрный экран в виде металлических жалюзи (рис. 2.7) .

Д л я платиновых и термисторных датчиков характерны минималь­ ные погрешности, так как они отличаются большой стабильностью пара­ метров и изготавливаются с большой тщательностью. Некоторую по­ грешность может вносить экран, особенно в штилевых условиях и при большой интенсивности солнечной радиации. Погрешности могут воз­ никать также в цепях интерфейса .

Калибровка необходима лишь для юстировки цепи интерфейса .

В калибровке самих датчиков, исключая случаи особо точных измере­ ний, нет необходимости, поскольку они изготавливаются очень тщ а­ тельно и отличаются большой устойчивостью характеристик на протя­ жении длительного времени .

Резистивные датчики подключают к регистраторам с помощью мо­ стовых схем, выходной сигнал которых усиливают в каком-либо опера­ ционном усилителе и получают мгновенное значение температуры воз­ духа. По серии таких измерений можно определить максимальное, ми­ нимальное и среднее значение температуры .

2,3.4. Влажность 2.3.4.1. Ее особенности как переменной величины и единицы измерения В разделах 2.3.2 и 2.3.3 говорилось о разделении остаточной радиации на три потока. Поток скрытого тепла представляет собой ее часть, рас­ ходуемую на испарение воды, которая затем переносится от поверхно­ сти теми же процессами диффузии, турбулентности и конвекции, что и тепло в атмосферу. Количество водяного пара, уже присутствующего в атмосфере, представляет собой один из факторов, от которых зависит Рис. 2.8. Зависимость м еж ду со­ держ анием водяного пара в атм о­ сфере и температурой воздуха .

скорость локального испарения, и поэтому измерение этого количества имеет важное значение .

Водяной пар повышает давление воздуха на значение парциального давления е (рис. 2.8). Когда е достигнет максимума, возможного при данной температуре, воздух насытится водяным паром. Это максималь­ ное значение представляет собой давление (упругость) насыщенного пара Е. На рис. 2.8 отрезок A D соответствует парциальному давлению водяных паров при температуре Т. Отрезок А В соответствует давлению насыщенного пара при той ж е температуре, а отрезок D B — дефициту насыщения. Величина 100 e jE % означает относительную влажность .

Если пробу воздуха охлаждать, то можно прийти в точку С, которой соответствует точка росы TD. Дальнейшее охлаждение вызовет конден­ сацию, которая будет удалять водяной пар из воздуха. Влажность можно измерять и в других единицах, нежели в единицах давления .

Так, абсолютную влажность можно выразить числом граммов воды (в виде п а р а ), содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Число граммов воды в килограмме воздуха дает так называемую удельную влажность. На поверхности Земли влажность меняется от 100 % в об­ лаках и примерно до 3 % в пустынях .

2.3.4.2. Измерение влажности

Если условия позволяют использовать метод сухого и смоченного тер­ мометров, то автоматически измерить влажность не так уж трудно .

Но для этого необходимо, чтобы температура в течение долгих перио­ дов не падала ниже 0°С и чтобы поддерживался запас воды между по­ сещениями станции. В методе смоченного и сухого термометров один из датчиков температуры зачехляется во влажный батист. Показания этого датчика сравниваются с показаниями такого ж е сухого незачехленного датчика, помещаемого вместе с первым в защитный кожух .

Влажность вычисляется по разнице температур. Привлекательные особенности этого метода — простота, дешевизна, устойчивость результа­ тов. Поскольку этот метод давно вошел в практику измерений и ему посвящена обширная литература [14], то нет необходимости излагать его подробнее. В условиях пустыни, при редких посещениях станции и, что особенно важно, при замерзании запаса воды бывает трудно обе­ спечить смачивание термометра. Поэтому в отдельных случаях могут использоваться иные методы измерения влажности .

В некоторых приборах в качестве датчика влажности применяют человеческий волос, изменения длины которого определяют с помощью электронных приспособлений. Несмотря на такой примитивный чувст­ вительный элемент, метод дает довольно хорошие результаты. Сущест­ вуют также датчики точки росы, которые однако дороги и имеют слож­ ную электронную схему. В одном из методов для определения точки росы используется ткань, пропитанная хлоридом лития. При этом, чтобы достичь конденсации водяного пара, прибегают не к охлаждению ткани, а к ее нагреванию, пока соль не отдаст гигроскопическую воду. Со­ ответствующий переход обнаруживают электрическим методом. Точку росы определяют, сравнивая температуру, при которой происходит этот переход, с температурой воздуха. Однако для высушивания соли не­ обходим нагреватель мощностью 10 Вт. В отдаленных местах такая трата энергии нежелательна .

В измерения может также вкрасться ошибка, поскольку соли редко переходят из безводной формы в насыщенный раствор, минуя ту или иную гидратную фазу .

В датчиках остальных типов в зависимости от влажности изме­ няется сопротивление, емкость или обе названные характеристики (рис. 2.9). З а последние 10 лет датчики этих типов были усовершенст­ вованы, но первые их образцы отличались неустойчивостью характери­ стик и результатов калибровки. Тем не менее сейчас датчики новых ти­ пов стали вполне конкурентоспособными сравнительно с традиционными датчиками, хотя их точность и долговременная стабильность еще не­ достаточно выяснены. Многие резистивные и емкостные датчики повре* ждаются, если на них конденсируется влага. От этого их недостатка можно избавиться с помощью небольшого нагревательного элемента, позволяющего предотвратить достижение точки росы. И все же в от­ даленных местах бывает трудно обеспечить даж е такой незначитель­ ный подвод энергии. Еще можно покрыть или окружить датчик тонким слоем какого-либо влагопроницаемого материала, который пропускает водяной пар, но задерживает воду в жидкой фазе. Недостатком таких датчиков является гистерезис и замедленная реакция на уменьшение влажности. Таким образом, какие-либо общие выводы в отношении д а т ­ чиков этого типа сейчас сделать невозможно, поскольку они представ­ лены множеством модификаций, а гидрологи и метеорологи пока не оценили их во всех отношениях [9] .

Одна из привлекательных особенностей измерителя влажности с су­ хим и смоченным термометрами состоит в том, что в отличие от других устройств его не нужно калибровать. Калибровка — дело не простое,

–  –  –

поскольку создать постоянную и точно известную влажность трудно, а зачастую невозможно без использования дорогостоящего оборудова­ ния. Существует, однако, приблизительный, но дешевый метод, в кото­ ром используются насыщенные растворы солей, помещаемые в контей­ нер. Воздух в контейнере над этими растворами достигает равновес­ ного состояния при некоторой известной влажности. Более медленный, отнимающий много времени метод заключается в сопоставлении пока­ заний калибруемого датчика, установленного в метеобудку, с показа­ ниями другого прибора с известными рабочими характеристиками .

Хотя такой метод неудобен для повседневного применения, он позво­ ляет установить устойчивость показаний исследуемых приборов в реаль­ ных условиях эксплуатации .

Способы подключения датчиков разного типа к регистрирующему устройству различны. Измеритель с сухим и смоченным термометрами обычно подключают с помощью мостовой схемы, в которой пара термо­ метров образует ее два плеча. В случае волосных гигрометров можно использовать тензометр или преобразователь перемещения в электри­ ческое напряжение, а в случае резистивных и емкостных датчиков их подключают в качестве омической и емкостной составляющих колеба­ тельного контура. Обычно используют мультивибратор, недорогое устройство с одной интегральной схемой .

2.3.5. Скорость ветра

2.3.5.1. Ее о со б ен н о ст и как п ер ем ен н ой величины и единицы и зм ер ен и я

Если бы Земля не вращалась, то воздух, нагревающийся над эквато­ ром, поднимался бы вверх, растекался к полюсам, оседал над ними и возвращался к экватору на небольшой высоте. Такой круговорот назы­ вают ячейкой Гадлея. Однако вращение Земли приводит к появлению некой кажущейся силы — так называемой силы Кориолиса. Это объяс­ няется тем, что масса воздуха, сохраняющая свой угловой момент, приобретает большую восточную составляющую скорости, ограничи­ вающую продвижение воздуха к полюсу и, кроме того, порождающую струйные течения на широте примерно 30° с. ш., в которых скорость ветра достигает 100 м -с-1. В средних широтах, где воздух, опускаю­ щийся в ячейке Гадлея, встречается с полярным воздухом, поле ветра становится сложным, в нем появляются вихри — циклоны и анти­ циклоны, движущиеся над поверхностью Земли. Опять же в результате сохранения количества движения возникают юго-западные ветры (в се­ верном полушарии). На высоте примерно 2 км (см. рис. 2.6) в свобод­ ной атмосфере ветер становится почти геострофическим: в этой области атмосферы беспрепятственно проявляются эффекты разности давления и силы Кориолиса. Ниже этой области по мере уменьшения высоты скорость ветра падает, а направление постепенно приобретает составляющую в сторону центра низкого давления (спираль Экмана) .

Однако от поверхности Земли до высоты примерно 20 м скорость ветра возрастает с высотой логарифмически, а выше 20 м ее увеличение становится более постепенным. Скорость ветра обычно измеряют на высоте 10 м от поверхности Земли, а в противном случае исправляют поправкой для приведения к этой высоте. Скорость ветра можно опре­ делять в виде мгновенного значения или среднего значения за некото­ рый период, иначе называемого пробегом ветра. Скорость ветра: при­ нято выражать в метрах в секунду, а не в километрах в час. Скорость ветра в разных районах земного шара неодинакова как по силе поры­ вов, так и по среднему пробегу. В] гористых районах скорость ветра при порывах может достигать 70 м*с-1 .

2.3.5.2. И зм ер ен и е ск ор ости в етра

Известно шесть типов датчиков скорости ветра: вращающиеся, воспри­ нимающие давление воздуха, тепловые, звуковые, световые и вихре­ продуцирующие. В световом методе с помощью лазера создается система интерференционных полос. Переносимые ветром мелкие пылинки при прохождении интерференционного поля отражают свет .

Наблюдающаяся при этом частота модуляции зависит от скорости ветра. Сложность обработки результатов наблюдений методами спектрального анализа исключает использование датчиков этого типа в полевых условиях.

Звуковой метод имеет две модификации:

акустический сигнал посылается с противоположных направлений либо в виде непрерывного излучения (с двумя разными длинами волн), либо в виде импульсов. В первом случае скорость ветра определяют по раз­ ности фаз, во втором — по разности времени прохождения импульсов .

Термические эффекты тоже молено использовать в нескольких вариантах. В одном из них нагретая проволока, натянутая между детекто­ рами, создает разность температур между ними вследствие адвекции тепла в направлении ветра. В другом методе создаются импульсы тепла микросекундной продолжительности; время добегания импуль­ сов регистрируется на удалении в несколько миллиметров по направ­ лению ветра. С помощью термоанемометров наблюдают потери тепла нагретой проволокой под действием ветра. Однако все эти устройства не только потребляют энергию, но и являются довольно сложными и дорогими, их показания ухудшаются от воздействия дождя, загрязне­ ния, зависят от изменений плотности воздуха, приборы хрупки и тре­ буют осторожного обращения. В основном они применяются тогда, когда требуется быстрая реакция, характерная, например, для турбулиметров, а не в тех случаях, когда скорость осредняется за большой период времени, как в АМС. Давление ветра на неподвижный объект зависит от квадрата скорости ветра. Эта зависимость тоже реализо­ вана в некоторых типах датчиков. Хотя нуль таких датчиков подвер­ жен дрейфу, а характеристики нелинейны, они могут быть полезны, особенно при измерении больших скоростей ветра. Датчик давления другого т и п а — трубка Пито позволяет определять разность давления воздуха в двух расположенных под прямым углом друг к другу труб­ ках, одну из которых направляют против ветра. Трубку Пито исполь­ зуют как эталон точности в аэродинамических трубах и на самолетах .

Известны примеры применения трубки Пито для регистрации скорости ветра на ленточной диаграмме, позволяющей наблюдать быстрые флюктуации ветра в порывах. В АМС это устройство не находит при­ менения все по той же упомянутой выше причине: необходимо значение скорости, которое осреднено на длительном отрезке времени. Наконец, существуют внхрепродуцирующие устройства, позволяющие наблюдать перемещение вихрей в потоке воздуха. Если в струю воздуха поместить стержень, с его подветренной стороны будут появляться вихри с часто­ той, которая зависит от скорости воздуха. Определяя частоту появле­ ния вихрей, можно установить скорость ветра, но этот метод требует применения сложных технических устройств, таких как лазеры, и тоже связан с расходом энергии .

Какие-то из перечисленных типов датчиков наверняка использова­ лись бы в АМС, если бы не было больше ничего подходящего. Однако для повседневного использования наиболее пригодны вращающиеся анемометры, особенно удобные для получения осредненных значений скорости. Давно и повсеместно вошедшие в практику измерений вра­ щающиеся анемометры просты в обращении, имеют линейные характе­ ристики, не требуют расхода энергии, на их показаниях не сказывается атмосферное давление. Если не говорить о погрешности измерений из-за трения в подшипниках, вращающиеся анемометры отличаются хорошей чувствительностью при слабых скоростях ветра и приходят в движение при очень малой начальной скорости. По поводу их кон­ струкции можно сказать, что она усовершенствована до предела. Су­ ществует два основных типа вращающихся анемометров — пропеллер­ ный и чашечный. Лучший из всех механических датчиков скорости ветра, пропеллерный анемометр [2], имеет исключительно простой принцип действия. Некоторая сложность состоит в том, что пропеллер должен быть обращен при измерении скорости навстречу ветру, и из-за этого пропеллерные анемометры менее употребительны, чем чашечные, которые являются, так сказать, всенаправленными. Характеристики чашечных анемометров не столь совершенно линейны, как у пропеллер­ ных, но тем не менее их линейность довольно хорошая. Чашечные ане­ мометры явно лучше всего подходят для АМС. Обычно у них три чашкиполусферы (рис. 2.10), хотя первые их образцы имели по четыре Рис. 2.10. Типичный трехчашечнын анемометр (а) и схема его вращения в потоке воздуха (б) .

чашки, были и модели с двумя чашками, а также миниатюрные при' боры с шестью чашками. Размер чашки, ее форма и длина плеча раз­ личны у разных моделей. Чашки приводят в движение вал; о скорости вращения судят либо по показаниям генератора, который вырабаты­ вает напряжение, пропорциональное мгновенной скорости, либо по числу оборотов вала, которое определяют с помощью герконового пе­ реключателя или прерывистого светового луча .

Калибровку анемометров можно проводить в аэродинамических трубах. Однако, если не говорить об изменениях трения в подшипни­ ках, калибровочная кривая должна оставаться неизменной, поскольку она полностью зависит от геометрических размеров чашек и плеч. Если обеспечить надлежащий уход за подшипниками, чтобы они вращались свободно, то в регулярном проведении калибровки не будет необходи­ мости, хотя от нее не следует отказываться, если аэродинамическая труба «под рукой» и нужны особо точные результаты. Ветер, однако, обычно бывает порывистым, и погрешности, связанные с этой его осо­ бенностью, более существенны, поскольку чашечные анемометры рас­ считаны на работу в условиях ламинарного, как в аэродинамических трубах, а не турбулентного движения воздуха. В последнем случае ма­ тематическая интерпретация их показаний становится затруднитель­ ной [4] .

К регистратору чашечные анемометры обычно подключают с по­ мощью интегральной микросхемы (на КМОП-структурах *) и полу­ чают пробег ветра путем суммирования импульсов за определенный отрезок времени. При подключении через генератор, периодически ре­ гистрируя напряжение, можно осуществлять точечную индикацию мгновенной скорости или непрерывную индикацию быстрых флюктуа­ ций (например, при измерениях параметров турбулентности с помощью вертушки Д ж и л л а ). Устройства последних типов, однако, менее при­ годны для АМС, поскольку обычно требуется знать пробег ветра за оп­ ределенный период времени .

–  –  –

В предыдущем разделе говорилось о крупномасштабных, глобальных движениях воздуха под влиянием нагрева от солнца и вращения Земли .

Однако у поверхности земли в направлении ветра отмечаются локаль­ ные изменения, например, внутри замкнутых динамических систем циклонов и антициклонов. Кроме того, начиная с высоты 2 км, по мере углубления в слой трения (см. рис. 2.6), направление ветра постепенно все больше отклоняется от направления геострофического ветра в сто­ рону области низкого давления. Таким образом, если в метеорологии важно знать направление ветра по большим регионам, в крупном масштабе, то в гидрологии значимость измерений направления ветра определяется тем, насколько они позволяют уяснить локальные, мелко­ масштабные процессы, особенно в гористых районах, где от направле­ ния ветра сильно зависит распределение осадков и прежде всего снега .

Направление ветра обычно выражается в виде мгновенного или сред­ него угла, отмеряемого по часовой стрелке от направления на север .

Когда берется средний угол, нужно следить, чтобы не произошло ошибки такого рода, как, например, в случае если за период осред­ нения направление изменится с западного на восточное,— это даст * К М О П-структура — комплиментарная структура металл-окспдполупроводник .

среднее направление к югу. Чтобы избежать подобной ошибки, нужно брать среднее векторное, а не среднее арифметическое значение .

Направление можно охарактеризовать такж е с помощью розы ветров, графически изображающей распределение повторяемостей направлений .

2.3.6.2. Измерение направления ветра

Направление ветра обычно наблюдают с помощью флюгера, угловое положение которого измеряют двумя способами. Более дорогой способ состоит в использовании кодирующего диска, который дает высокоточ­ ный сигнал на выходе в цифровой форме. В более распространенном,

–  –  –

менее дорогом и несколько менее точном методе применяются прово­ лочные потенциометры или потенциометры с резистивным слоем непре­ рывного вращения, либо последовательность герконовых переключате­ лей, которые замыкают цепь на ряд резисторов и управляются магни­ том, укрепленным на оси флюгера (рис. 2.11). Герконовые переключател и позволяют в какой-то мере решить проблему износа потенциометра па его участке, соответствующем преобладающему направлению ветра, хотя они тоже имеют ограниченный срок службы (обычно 107 зам ы ка­ нии). Во многом это зависит от степени порывистости и скорости изме­ нений направления ветра. Некоторые датчики позволяют решить упомя­ нутую выше проблему неопределенности результата осреднения меха­ ническим способом. Эта особенность датчиков бывает полезна, если регистратор является непрограммируемым и не проводится специаль­ ный контроль данных при последующей их обработке. Однако обычно такие проблемы предпочтительнее решать средствами программирова­ ния, так как это позволяет снизить стоимость аппаратного оборудования и упростить конструкцию датчиков. Если нужно осуществлять немедлен­ ную визуальную индикацию направления, используют преобразователи типа «сельсин», обеспечивающий синхронное с ним вращение удаленной на некоторое расстояние стрелки-указателя. Д л я регистрирующей АМС такая система индикации обычно не нужна .

Направление ветра обычно не требуется знать с очень высокой точностью. Однако при измерении направления нужно избегать появ­ ления погрешностей. В частности, нужно обеспечить правильную б а­ лансировку флюгера, чтобы он не имел тенденции устанавливаться в каком-то одном направлении при несовсем вертикальном положении оси. Пожалуй, чаще всего погрешность возникает из-за неправильной ориентировки датчика по компасу. Погрешность в значении направле­ ния зависит такж е от точности потенциометра и подаваемого на него напряжения. Датчики с герконовыми переключателями из-за ступенча­ того характера выходного сигнала имеют пониженную разрешающую способность, но это не приводит к существенной погрешности, так как выходной сигнал осредняется по нескольким отсчетам .

Если калибровка датчиков с кодирующими дисками необязательна, то датчики потенциометрического типа требуют корректировки пода­ ваемого напряжения путем проверки правильности их показаний при нескольких направлениях по компасу .

Подключение потенциометрических датчиков к регистратору не­ сложно: от источника постоянного тока иа датчик подается стабильное напряжение питания, которое он изменяет, причем изменения пропор­ циональны углу ветра и обычно имеют такой уровень,, что могут реги­ стрироваться непосредственно, без использования промежуточных устройств. Кодируемые диски дают цифровой выходной сигнал, кото­ рый в регистраторы современных типов можно вводить непосред­ ственно. Но такие датчики целесообразно использовать в тех случаях, когда нужна высокая точность и несущественны соображения стои­ мости .

–  –  –

2.3.7.1. Их особенности как переменной величины и единицы измерения Дождевые осадки представляют собой, пожалуй, наиболее повсеместно и издавна измеряемый гидрологический параметр. Количество дожде­ вых осадков особенно; просто измерить, так как д л я этого нужен только сосуд с открытой поверхностью. С другой стороны, количество снеговых осадков явно относится к числу более трудноизмеряемых переменных. Осадки образуются под влиянием нескольких одновре­ менно действующих процессов, самыми важными из которых являются подъем влажного воздуха и его охлаждение до температуры конденса­ ции. Воздух может подниматься вверх по трем причинам, а именно:

в результате фронтальных движений, конвекции и восходящих перено­ сов на участке горных хребтов. В количестве осадков отмечается боль­ ш ая пространственная изменчивость в масштабах от локальных до гло­ бального, а кроме того, значительна временная изменчивость в одной и той же точке земного шара. Поскольку теплый воздух может удер­ жать большее количество водяного пара, чем холодный, осадки выпа­ дают в большем количестве в экваториальных районах, где вверх дви­ жется теплый насыщенный влагой воздух, и в меньшем количестве в полярных районах, а такж е в тех районах умеренных широт, где опускание воздуха в ячейке Гадлея приводит к появлению пояса пустынь .

В Руководстве ВМО по гидрологической практике [25] об измере­ нии осадков говорится следующее: «Общее количество осадков, дости­ гающее поверхности земли за некоторый период времени, выражается в виде высоты слоя, которым покроется горизонтальный участок мест­ ности, если растает вся часть осадков, выпавших в виде снега и льда» .

Высота слоя осадков измеряется в миллиметрах. В зависимости от про­ должительности выбранного периода можно получить разные характе­ ристики осадков — от мгновенных значений до годовых сумм. Н аблю ­ дениями на мировой сети станций зарегистрированы следующие макси­ мумы осадков: 150' мм за 10 мин; 1500 мм за 24 ч; 25 000 мм за 12 мес .

2.3.7.2. Измерение осадков 2.3.7.2.1. Измерение дождевых осадков Если не говорить о появившихся в недавнее время методах дистан­ ционных наблюдений, дождевые осадки традиционно измеряют, соби­ рая их в какой-либо резервуар и определяя накопившееся количество воды. При неавтоматизированных наблюдениях измерение производят с помощью градуированного цилиндра. В случае автоматической ре­ гистрации для определения количества воды нужно использовать к а ­ кой-то механизм. В одной из первых предложенных систем с сифоном использовался поплавок с пером, которое оставляло поднимающийся след на вращающейся ленте. Разнообразные устройства для измерения осадков подробно описываются в работе [6] .

Электрические измерения собранного количества воды почти всегда выполняют с помощью «опрокидывающегося сосуда». Использу­ ются и другие методы, например, взвешивание накапливающейся воды или ее пропускание через устройство, которое дает капли строго опреде­ ленного размера, а те подсчитываются фотоэлектрическим способом .

Система последнего типа удобна в тех случаях, если интенсивность осадков нужно определять с высоким разрешением во времени. Но на АМС обычно достаточно измерять осадки с точностью до 0,5 мм, в пре­ дельном случае до 0,1 мм. Такой точности без труда можно достичь и с помощью дождемера с опрокидывающимся сосудом. В: этом устрой­ стве осадки, попадающие в воронку, поступают в разделенный; на два отсека сосуд, который уравновешен на опорной призме и может накло­ няться в одно из двух устойчивых положений (рис. 2.12). По мере напол нения одной секции сосуда она будет становиться тяжелее, пока не опрокинется в другое устойчивое положение, затем процесс повторя­ ется. При переходе из одного устойчивого положения в другое магнит, прикрепленный к сосуду, моментально вызывает замыкание язычкового или другого аналогичного переключателя. Точное количество воды, ко­ торое «приводит к опрокидыванию сосуда, можно контролировать с по­ мощью! двух винтов, определяющих угол наклона сосуда в состоянии покоя .

Д л я плювиографов с опрокидывающимся сосудом характерны та ­ кие же разнообразные погрешности, как и для осадкомеров любых других типов. Прежде чем вода начинает стекать, некоторое ее коли­ чество расходуется на смачивание воронки, которой должно быть при­ дано точно горизонтальное положение (исключая некоторые способы установки в гористых районах, когда воронку ориентируют параллельно уклону мест­ ности). Но больше всего на точности измерений сказывается высота распо­ ложения дождемера относительно по­ верхности земли, гак как от нее зави­ сит улавливание осадков. Д о уровня Рис. 2.12. Д ож дем ер с опрокидываю щимся сосу­ дом в разрезе .

/ ~ воронка; 2 — опрокидывающийся сосуд; 3 — опорная призма; 4 — калибровочные ограничители .

примерно 20 м от поверхности скорость ветра быстро возрастает с вы­ сотой, и точно так с высотой возрастает погрешность измерений, свя­ занная с аэродинамическим влиянием корпуса дождемера на поток воздуха: присутствие дождемера обусловливает увеличение скорости ветра над его верхней частью. В результате в дождемер попадет мень­ шее количество осадков, чем достигает поверхности земли. Чтобы ре­ шить эту проблему, дождемер можно установить в яме, а его воронку, расположенную на уровне земли, окружить решеткой, которая имити­ рует поверхность земли, но исключает забрызгивание (рис. 2.13) [14] .

Плювиографам с опрокидывающимся сосудом присущи и специфи­ ческие погрешности: когда сосуд опрокидывается, на его поверхности задерживаются отдельные капли воды и, таким образом, для очеред­ ного опрокидывания потребуется меньшее количество осадков. Но поскольку обе секции сосуда остаются увлажненными, погрешность из­ мерения осадков при дожде, за время которого происходит несколько опрокидываний, в конечном счете исключается. В конце1 ливня вода, прилипшая к поверхностям сосуда, может испариться, что внесет не­ большую погрешность. Более существенная погрешность появится, если осадки прекратятся незадолго до очередного опрокидывания сосуда, поскольку тогда в результате испарения может быть потеряно любое количество осадков вплоть до 0,5 мм. Если необходимо повысить чув­ ствительность плювиографа, то лучше.увеличить размер воронки, а не уменьшать размер сосуда. При диаметре воронки примерно 200 мм каждые 0,5 мм дождя дают примерно 16 см3 воды. Хотя сосуд может 5 Заказ Л 256 'а 65 опрокидываться всего от l/ s.указанного количества воды, прибор ж е л а ­ тельно эксплуатировать при опрокидывающем объеме лишь ненамного меньше 16 см3, так как при меньшем объеме прилипнет относительно больше воды. При уменьшении размера сосуда существенными стано­ вятся также менисковые эффекты. Напротив, чем меньше размер сосуда, тем меньше будет погрешность, которая появится при испаре­ нии почти полного его объема. Поскольку сосуд не может опрокинуться мгновенно, сравнительно небольшая погрешность возникает и в связи с тем, что вода, продолжающая стекать к уже наполненной секции,

–  –  –

фактически теряется. Однако погрешности, появляющиеся при измере­ нии сбора дождемера, малы сравнительно с неопределенностью изме­ рений, обусловленной экспозицией прибора. По сравнению со всеми пе­ речисленными выше погрешностями значительно большую погрешность обусловливает высота установки дождемера над поверхностью земли .

Сравнительно со сбором дождемера, установленного на уровне поверх­ ности, при расположении верхнего края воронки на высоте 30 см сбор уменьшается на 5—2 0 %. Чем выше установлен дождемер над поверх­ ностью земли, тем погрешность больше .

Калибровку можно проводить двумя способами. В первом из них воду медленно льют из пипетки прямо в сосуд и замечают ее коли­ чество, при котором происходит опрокидывание сосуда. После этого осуществляют необходимую регулировку и очередное испытание, повто­ ряя указанные действия, пока не добьются правильной работы при­ бора. Но предпочтительнее так называемый динамический метод ка­ либровки, при котором через воронку дождемера медленно пропускают количество воды, рассчитанное, скажем, иа 100 опрокидываний сосуда, и подсчитывают действительное число опрокидываний. Преимущество этого метода заключается в том, что при нем выясняется основная погрешность вследствие прилипания воды к сосуду и немгновенного его опрокидывания с одной' стороны на другую. Кроме того, 1,6 кг воды, необходимые в динамическом методе, проще отмерить (путем взвеши­ вания) с высокой точностью, чем 16 см3, необходимые при калибровке статическим методом с пипеткой .

Д л я подключения плювиографа с опрокидывающимся сосудом к ре­ гистратору необходим только счетчик, который, как и при определении пробега ветра, обычно выполняется в виде интегральной схемы на КМОП-стр.уктурах. Поскольку данные в последующем остаются в цифровой форме, при этом способе подключения не вносится никаких дополнительных погрешностей .

2.3.7.2.2. Измерение снеговых осадков и скорости снеготаяния Путем подогрева осадкомера можно растопить попадающий в него снег и затем измерить соответствующее количество осадков. Д ля этого необ­ ходима энергия, которая в отдаленных местах редко имеется в нужном количестве. Кроме того, есть и другие проблемы. Если осадкомер установить на поверхность земли или в яму, в снеге вокруг него вслед­ ствие таяния появится впадина, что повлияет на последующий сбор .

Если же осадкомер поднять на высоту, превышающую максимальную толщину слоя снега, существенными станут погрешности, вносимые действием ветра. Явление выпадения снега представляет интерес в ме­ теорологическом плане, но гидрологов больше интересует снеготаяние [11]. Д л я прогнозирования же снеготаяния нужно знать количество снега, находящееся в бассейне. Измерение количества выпадающего снега мало помогает этому, особенна в гористых районах, поскольку после выпадения снег часто переметается ветром, прелюде чем начинает таять. Поэтому количество снега в бассейне необходимо измерять в несколько моментов времени. Из-за особенностей ветрового переноса снега выбрать репрезентативное место для измерений обычно трудно (значительно труднее, чем для измерений долсдевых осадков). Отыскав такое место, можно измерять либо глубину, либо массу снега .

В последнем случае используют так называемую «снеговую подушку»

и измеряют массу снега по давлению, которое он оказывает на эту эластичную заполненную жидкостью емкость. Однако вследствие смер­ зания и изменения состояния снега в измерениях может появиться погрешность, так как снег в этих случаях будет оказывать давление не всей своей массой. Трудно наладить и автоматическое измерение вы­ соты снежного покрова. Дело осложняется еще тем, что поскольку плотность снега неизвестна, то будет неизвестен и водный эквивалент, который можно оценить лишь приблизительно. Дистанционные измере­ ния со спутников превращаются в конкурентоспособную альтернативу наблюдениям на месте, особенно в больших бассейнах. Самое прямое и простейшее решение-—измерять количество снега, когда он тает. т. е .

определять поступление жидкой воды в бассейн. Этого можно достичь* установив дождемер ниже слоя снега, как бы замаскировав его под местность, так чтобы прибор ие влиял на таяние и выпадение снега, а талая вода поступала бы в него в тех же количествах и с такой ж е скоростью, как и на прилегающую местность. Коллекторы с большей поверхностью, чем имеют дождемеры, позволяют уменьшить влияние непредсказуемых перемещений талой воды внутри массы снега .

Используемые таким способом дождемеры можно подключать к регистратору точно так, как и при сборе дождя. Давление в снеговой 5* 67 подушке воспринимается преобразователем давления. Общий принцип действия подобных устройств описан в разделе об атмосферном давле­ нии. Хотя фактические значения давления, измеряемые в том и другом случае, разные, принцип действия остается одним и тем- же. Однако в случае снеговой подушки с одной ее стороны не будет вакуума, она будет открыта воздействию атмосферы, благодаря чему изменения в б а­ рометрическом давлении будут уравновешиваться .

2.3.8. Барометрическое д а в л е н и е

Знать барометрическое давление при обычных гидрологических иссле­ дованиях обычно не требуется, но о нем нужно сказать несколько слов, поскольку измерения барометрического давления могут представлять интерес, при изучении изменений уровня воды в скважинах и потому, что АМС имеют не только гидрологические применения. Нужно вкратце упомянуть и датчики давления, поскольку они используются в снеговых подушках, при измерении речных уровней и давления почвенной влаги .

2.3.8.1. Особенности барометрического давления как переменной величины и единицы его измерения Барометрическое давление представляет собой показатель веса воз­ духа, расположенного над точкой наблюдения, причем этот вес зависит от плотности воздуха. Атмосферное давление начали изучать, измеряя вес столба ртути, который оно может уравновесить. Барометры подоб­ ной конструкции давно вошли в повсеместное использование. Поэтому до недавнего времени барометрическое давление выражали в виде вы­ соты ртутного столба в миллиметрах. Однако сейчас давление принято выражать в миллибарах (мбар):

миллибары = миллиметры X 13,5951 • 980,665 10- \ где 13,5951 — плотность ртути; 980,665 см-с-2 — стандартное значение ускорения свободного падения. Таким образом, миллибары = миллиметры X 1,3333 .

Барометрическое давление меняется на уровне моря примерно от минимального значения 950 мбар (713 мм) до максимального порядка 1050 мбар (787 мм) .

2.3.8.2. Измерение барометрического дааления

В промышленности часто приходится измерять давление жидкости или газа, так что соответствующие датчики очень разнообразны. В этих устройствах основным воспринимающим элементом является д и а ­ фрагма, хотя способы измерения ее прогиба могут быть разными. Д и а ­ фрагма закрепляется внутри полости из двух отсеков, имеющих вход­ ные отверстия, через которые диафрагма воспринимает разность д а в­ ления. В случае измерения барометрического давления один отсек можно просто загерметизировать при некотором номинальном значе­ нии атмосферного давления. Если фактическое атмосферное давление окажется таким же, как в загерметизированном отсеке, диафрагма бу­ дет неизогнута, а выходной сигнал нулевым. Поскольку номинальное давление будет меняться в зависимости от изменений температуры, в приборе нужно предусмотреть электрическую компенсацию. Если вместо номинального атмосферного давления в одном отсеке создать вакуум, то компенсация станет ненужной. В таком устройстве диа­ фрагма будет все время находиться в деформированном состоянии, поскольку с одной стороны на нее будет действовать атмосферное д а в­ ление, а с другой будет вакуум. Поэтому прибор надо отрегулировать так, чтобы выходной сигнал получился нулевым при наименьшем ат­ мосферном давлении, которое может встретиться в практике измере­ ний, а не при нулевой деформации диафрагмы .

Деформацию диафрагмы молено измерить разными способами, но чаще всего для этого прямо на диафрагму или кронштейн прикрепляют тензодатчик. Другие методы преобразования искривления диафрагмы в электрический сигнал включают использование потенциометра, опре­ деление натяжения вибрирующей проволоки или изменений электриче­ ской емкости .

2.3.9. Дополнит ельны е п ерем ен н ы е Гидрологи нуждаются и в других данных, кроме собранных с помощью АМС. Поскольку соответствующие измерения регистрируются вместе с данными АМС и ввиду их значения в гидрологии, необходимо остано­ виться и на этом вопросе .

2.З.9.1. Уровень, скорость течения и расход воды в реке Количество воды, протекающее в реке и обычно измеряемое в кубиче­ ских метрах в секунду, безусловно, представляет самую валшую пере­ менную, наблюдаемую в гидрологии и являющуюся, по сути, результи­ рующей всех других процессов. В отличие от количества воды в реке, уровень имеет важное значение при изучении наводнений. Скорость лее течения имеет валеное значение при изучении транспорта наносов и эрозии. Впрочем, все эти три показателя тесно связаны друг с другом .

Количество^ воды, протекающее в русле в любой данный момент, можно установить, определяя профиль речного дна и измеряя скорость воды на нескольких горизонтах в ряде( точек, распололеенных на про­ филе. Зная скорость при разных уровнях воды, молено построить гра­ фик связи уровня и расхода (кривая расхода воды) [7]. Обычно ско­ рость измеряют с помощью гидрометрической вертушки, которую под­ вешивают на, тросе, опускаемом с моста илц из лодки, либо закреп­ ляют на штанге. Лопастный винт прибора, воспринимающий скорость течения, дает сигналы-импульсы, которые подсчитываются. Д л я малых рек недавно был предлолеен другой метод измерения скорости, при ко­ тором по дну реки от берега до берега прокладывают трубу. Вдоль трубы распололеены небольшие отверстия, из которых под давлением выходит воздух. Распределение пузырьков воздуха, появляющихся на поверхности, служит интегральным показателем скорости и глубины, а следовательно и расхода .

Еще один метод измерения скорости по всей ширине реки заклю ­ чается в наблюдении за прохождением ультразвукового сигнала по диагонали от берега до берега и обратно между двумя датчиками. Разница во времени прохождения (или сдвиг по фазе в зависимости от того, используются ли импульсы или непрерывное излучение) пред­ ставляет показатель средней скорости. Иногда измерения бывает необ­ ходимо выполнять на нескольких горизонтах, из чего можно заключить, что это метод дорогой и сложный .

На малых реках скорость можно измерить также электромагнит­ ным методом. По дну реки от берега до берега укладывается много­ жильный кабель, по которому пропускают переменный ток. Вода дей

–  –  –

ствует как движущийся проводник, пересекающий магнитное поле, и, следовательно, генерирующий разность потенциалов, пропорциональ­ ную скорости. Разность потенциалов измеряют с помощью электродов, устанавливаемых по берегам реки. Но отношение сигнал — шум может быть при этом плохим, что ограничивает применимость метода [,13] .

Таким образом, хотя ультразвуковой и электромагнитный методы вошли в оперативную практику, они сложны и порой их невозможно использовать. Пока общепринятым методом определения расходов остается измерение речных уровней в сочетании с использованием кри­ вой расхода, которую устанавливают на основе измерений скорости те­ чения. При этом методе тоже возникают трудности, поскольку, не­ смотря на сравнительную простоту приборов для измерения уровня, из-за изменения профиля дна может меняться кривая расхода. Стано­ вится необходимым периодически ее перестраивать. На малых реках иногда бывает возможно изменить профиль дна путем возведения бе­ тонных сооружений в русле, чтобы заставить поток воды протекать в устойчивом известном поперечном сечении (с помощью лотков и во­ досливов) (рис. 2.14). В таком случае кривая расхода будет оставаться неизменной. На реках с гидротехническими сооружениями определение расходов осложняется еще непостоянством связи между уровнем и расходом из-за работы водопропускных устройств .

Таким образом, регистрация уровня1 имеет ключевое значение в большинстве случаев гидрометрических наблюдений. Традиционно Рис. 2.15. Датчики речного уровня потенциометрического типа .

Тяга от поплавка приводит в действие три потенциометра непрерывного вращения. Потенцио­ метры А н В совершают полный оборот при каж дом изменении уровня на 20 си, а потенцио­ метр С — при изменения уровня на 4 м. Потенциометры А н Б работаю т в нропш офазе. что позволяет избежать путаницы в результатах измерении при попадании ползуна на участок зазора в обмотке .

уровень измеряют в успокоительных колодцах с помощью поплавка, перемещающего перо самописца по бланку. При автоматической реги­ страции перо можно заменить различными электрическими датчи­ ками, обычно потенциометрами (рис. 2.15) или кодируемыми дисками [19]. В первом случае получают аналоговые сигналы, во втором — цифровые. Выбор наиболее подходящих датчиков определяется мно­ гими факторами, например, типом регистратора, который предполага­ ется использовать .

Обычно для измерения уровня предпочитают использовать попла­ вок в успокоительном колодце. С таким несложным оборудованием удается получать стабильные результаты. Но иногда успокоительный колодец почему-либо трудно устроить и больше подходят другие ме­ тоды. В таких случаях часто используют преобразователь давления, вес столба воды над которым служит показателем уровня. Этот датчик не отличается от тех, которые уж е упоминались в связи с измерениями высоты снежного покрова и барометрического давления. Как и при измерениях высоты снежного покрова, эталонную (недогружаемую) сто­ рону датчика оставляют открытой действию атмосферы, чтобы исклю­ чить влияние изменений барометрического давления. Недостаток преобразователей давления заключается в возможности дрейфа к а ­ либровки со временем. Кроме того, большое изменение давления трудно определять с высокой точностью. Например, чтобы зарегистрировать изменение уровня на 5 м с разрешением 1 мм, необходима точность 0,02%. В таком случае лучше использовать поплавковую систему, а не преобразователь давления, особенно если поплавковый датчик мо­ жет совершить много оборотов, тем самым расширяя диапазон измере­ ний практически до бесконечности без ухудшения разрешающей спо­ собности .

Существуют, но редко используются, и другие методы измерения речного уровня. В их число входят наблюдения за уровнем водной по­ верхности с помощью ультразвуковой локации или измерения электро­ емкости датчика с раструбной трубкой, когда диэлектрик-вода дви­ жется в ней вверх — вниз .

2.3.9.2. Качество воды

В число обычно измеряемых переменных величин — показателей к а ­ чества воды в реках входят: содержание растворенного кислорода, электропроводность, температура, мутность (содержание взвешенных веществ), концентрация различных ионов, таких как нитрат, аммоний, иод-, бром-, калий- и натрий-ионы, а такж е pH. Датчики, используемые для определения показателей последней группы, а такж е содержания растворенного кислорода, вырабатывают в результате электрохимиче­ ских реакций милливольтные сигналы. Большинство таких датчиков имеют большое полное сопротивление и соответственно.требуют сопря­ гающих усилителей тоже с очень большим полным сопротивлением на входе. Ввиду этого обстоятельства необходима защита, против шумо­ вых помех. Как и температуру; воздуха, температуру воды измерить нетрудно. Мутность измеряют по ослаблению светового луча из-за при­ сутствия взвешенных наносов. Электропроводность определяют, изме­ ряя сопротивление между двумя (иногда тремя) кольцами, располо­ женными на внутренней стороне трубы. Такое расположение элементов датчика позволяет стандартизировать объем воды, для которого вы ­ полняется измерение. Устраняется возможность ошибки, которая воз­ никла бы при экспонировании колец в неограниченном и потому неоп­ ределенном объеме воды, что случилось бы, например, при располо­ жении колец с наружной стороны трубы .

Станции качества воды (СКВ) обычно представляют собой гро­ моздкие системы, размещаемые в прибрежных постройках, в которые подведена электрическая сеть и закачивается вода к датчикам. Реже используются системы, действующие под водой. Последний вариант имеет то преимущество, что не требуется энергии для подачи воды к датчикам и никоим образом не изменяется качество воды, а это почти неизбежно при использовании насосов. Упрощается выбор места наблю­ дений, поскольку не нужно никаких построек. Остается, конечно, такая проблема, как автоматическая калибровка, которая становится практи­ чески неосуществимой. Если исходить из того, что СКВ, подобно АМС, должны размещаться в отдаленных местах, то нужно полностью пере­ сматривать принципы их конструирования .

2.3.9.3. Подповерхностные измерения Чтобы узнать, что происходит с дождевой водой после- того, как она впитается в почву, необходимо проводить регулярные измерения влаго­ содержания, давления почвенной влаги и уровня водного зеркала .

Грунтовая вода пополняется дождевыми осадками, просочившимися сквозь почву или горную породу вплоть до насыщенной зоны. Здесь вода может надолго задержаться или более-менее быстро уйти из этой зоны в реки и озера. Долю дождевой воды, которая проходит вниз в зону насыщения, и долю воды, которая движется к поверхности и там испаряется или транспирируется растительностью, оценивают одновременно путем измерения влагосодержания почвы и градиента давления почвенной влаги, причем последний параметр определяет направление, а первый — количество движущейся воды [24] .

2.3.9.3.1. Уровень водного зеркала Глубину залегания водного зеркала измеряют, пробуривая скважину и наблюдая уровень воды в ней. В простейшем случае в скважину можно опускать вручную на мерном шнуре какой-либо щуп, пока он не кос­ нется поверхности воды, в результате чего замкнется цепь между двумя электродами. Подобные измерения можно выполнять и автома­ тически теми же методами, которые используются при измерении реч­ ных уровней. Так, если диаметр скважины больше 15 см, а водное зер­ кало расположено не очень глубоко, то можно использовать поплавко­ вый метод. Д л я измерений в узких бурильных трубах и глубоких сква­ жинах лучше использовать преобразователь давления .

2.3.9.3.2. В лаго соде ржание почвы Повторные измерения влажности почвы можно выполнить с приемле­ мой точностью только с помощью нейтронного зонда. С этим прибором приходится работать вручную. Наблюдатель подносит зонд к каждой смотровой трубке (вбитые в почву алюминиевые трубки д иа­ метром 5 см) и погружает его на интересующую глубину. Из неболь­ шого источника радиоактивности в зонде в окружающую почву ис­ пускаются быстрые электроны. Сталкиваясь с атомами водорода, они замедляются и частью отражаются обратно к зонду, где обнаружива­ ются и подсчитываются. Поскольку большинство атомов водорода, при­ сутствующих в почве, принадлежит молекулам воды, подсчет медлен­ ных нейтронов позволяет оценить влагосодержание почвы. Процесс из­ мерения можно было бы автоматизировать, но поскольку тогда к а ж ­ дую смотровую трубку пришлось бы оснастить своим зондом, метод оказался бы очень дорогим. Изыскиваются способы измерения в л а ж ­ ности почвы по изменениям электрической емкости в зависимости от влагосодержания, но пока приборы, позволяющие проводить такие из­ мерения, еще недостаточно усовершенствованы. Подобный метод был бы намного дешевле, чем нейтронный, а измерения было бы проще а в­ томатизировать. Таким образом, в настоящее время методов для автоматической регистрации влагосодержания почвы не имеется .

2.3.9.3.3. Сосущая сила почвы Сосущая сила почвы определяется градиентом давления и действием силы тяжести. Поэтому по профилям значений сосущей силы можно судить о направлении движения почвенной влаги .

Сосущую силу почвы можно измерять вручную с помощью запол­ ненного водой пористого резервуара, соединенного трубкой с ртутным манометром на поверхности. Высота ртутного столба определяется совместным влиянием веса столба воды под ним и сосущей силы почвы. В целях автоматизации измерений манометр можно заменить датчиком давления, соединенным непосредственно с пористым резер­ вуаром. Такая система значительно дороже ручной, а измерения необ­ ходимо проводить в каждой точке на нескольких горизонтах. И ручной, и автоматический тензиметры плохо работают при большой сосущей силе почвы вследствие появления пузырьков воздуха в системе. Поэтому их использование ограничено влажным сезоном года. Датчик давления подключается к регистратору точно так, как и любой другой преобра­ зователь давления (см. раздел 2.3.7) .

Вместо преобразователя давления можно использовать гипсовый блок. Несмотря на то, что точность измерений в этом случае получа­ ется значительно хуже, а блок постепенно растворяется в земле, этот метод исключительно дешев и пригоден почти во всем диапазоне зна­ чений сосущей силы (от —0,5 до — 15 бар), хотя при очень низких ее значениях дает менее надежные результаты. В гипсовый блок заделы­ вают два электрода, для изготовления которых обычно берут сетку из мягкой стальной проволоки. Сосущую силу определяют по сопротивле­ нию между электродами. Наилучшие результаты получаются при инди­ видуальной калибровке каждого блока в лаборатории перед его установкой в поле. Чтобы предотвратить поляризацию, сопротивление гипсовых блоков обычно измеряют с помощью мостика на переменном токе. Однако современные регистраторы, позволяющие выполнять исключительно быстрые измерения, делают возможным и недорогой способ калибровки при постоянном токе .

2.4. Регистрация результатов измерений

В предыдущих разделах говорилось о том, как генерируются сигналы от датчиков и преобразуются затем в цепях интерфейса в форму, под­ ходящую для введения сигналов в цифровой регистратор. Обычно устройства интерфейса образуют составную часть регистратора системы, но иногда они могут являться частью датчика или образовы­ вать отдельный блок. Д л я наших целей достаточно считать, что сигналы от датчиков уже преобразованы в интерфейсе к форме, приемлемой для регистратора. Обычно такие сигналы имеют вид аналоговых напря­ жений в диапазоне 0—5 В или цифр в простом двоичном коде длиной 8 бит или больше. В этом разделе речь пойдет о том, как регистриру­ ются эти данные. Д л я гидрологических применений необходим регист­ ратор, который мог бы минимум две недели автономно работать в су­ ровых климатических условиях отдаленной местности, где можно обес­ печить энергопитание только от аккумуляторов .

2.4.1. Устройство циф р о во го регистратора

Хотя регистраторы бывают совершенно разных типов, можно изобра­ зить схему, на которой адекватно отражены особенности всех приборов этого рода (рис. 2.16). Здесь мы не будем касаться устройства блока подключения датчиков, о назначении которого говорилось в разделе о датчиках. Не будем описывать такж е и мультиплексор, отметив только, что это электронный переключатель, который последовательно сканирует входные сигналы. Назначение аналого-цифрового преобразо­ вателя понятно из самого названия этого устройства, которое воспри­ нимает аналоговые напряжения от датчиков и преобразует их в цифро­ вую форму. Все это стандартные компоненты регистратора, детальное описание которых можно найти в любом учебнике по электронике или

–  –  –

Рис. 2.16. Схема типичного регистратора (логгера) данных АМС .

в технических описаниях, прилагаемых к приборам изготовителями .

Во всех них применяются интегральные КМОП-микросхемы малой мощности. Датчиком времени служат обычные кварцевые часы с ком­ мутационным устройством, позволяющим задавать интервал между записями. (Все регистраторы рассматриваемого типа осуществляют запись данных в дискретном, а не в непрерывном режиме. В цепях интерфейса суммирование или осреднение данных может осущест­ вляться непрерывно, но регистратор регистрирует их выходные сигналы только через установленные интервалы времени.) Блок управления синхронизирует и запускает различные последовательности операций, участвующих в сканировании и регистрации входных сигналов. Н ал и­ чие микропроцессора в блоке управления регистраторов современных типов позволяет называть их программируемыми. Блок питания состоит из батареи, обычно перезаряжаемой, из которой выходят несколько шин питания, обеспечивающего выполнение регистратором и интерфейсом различных функций. Наиболее интересными с точки зре­ ния пользователя элементами регистрирующих устройств являются носитель информации и блок управления с микропроцессором. Упоми­ нания заслуживают такж е источники питания .

Прежде чем рассматривать эти три компонента в деталях, нужно сказать несколько слов о необходимой точности данных. 8-битовая точ­ ность означает, что сигналы датчика могут измеряться до 1/255, или до ± 0, 2 %. 10-битовая точность эквивалентна ± 0,0 5 % и 12-битовая ±0,01 %. Потребители иногда считают необходимой, а некоторые из­ готовители обеспечивают 10- и даж е 12-битовую точность. Но таких гидрологических датчиков, которые обеспечивали бы результирующую точность намного лучше, чем ± 0,2 % для 8-битовых слов, особенно если учесть погрешности, вносимые в интерфейсе, очень мало, если вообще таковые есть. Фактически, большинство датчиков не обеспечи­ вает и такой точности. Если ж е они все-таки обеспечивают ее, то сама измеряемая переменная не оправдывает или не требует этого (напри­ мер, направление ветра). Д а ж е если допустить возможность измерений с более высокой точностью, она становится бессмысленной, поскольку многим гидрологическим переменным присуща большая пространствен­ ная изменчивость .

Эти факторы имеют особое значение в случае регистраторов с твер­ дотельными накопителями данных, когда, как мы увидим, возникает проблема объема памяти. Но независимо от типа запоминающей среды (твердотельный носитель или магнитная лента), мы ничего не выиграем и даж е что-то потеряем, если будем регистрировать данные с большим разрешением, чем могут обеспечить датчики. Такое использование па-т мяти не только является расточительным, но и вводит в заблуждение, создавая впечатление, что точность зарегистрированных данных опре­ деляется числом использованных для записи цифр. С помощью особой метки можно было бы указать действительную точность, но так посту­ пают редко. Часто ли потребители гидрологических данных исследуют, знают или просто задумываются о действительной точности этих! дан­ ных? В сущности, гидрологии хорошей следует считать 8-битовую в точность. Обычно же нормой является точность 1, 5 и даж е 10 % .

2.4.2. Носители да н н ы х 2.4.2.1. М агнитная лента Первые регистраторы, приспособленные для регистрации данных поле­ вых наблюдений, появились в начале 60-х годов. В качестве носителя данных в них использовалась магнитная лента. В первых моделях при­ менялась 0,25-дюймовая лента на бобинах, но вскоре вместо нее, чтобы облегчить регистрацию данных в полевых условиях, стали использовать эту же ленту в кассетах (рис. 2.17). Хотя и не столь сложные, как ны­ нешние, эти первые модели регистраторов позволили продвинуться по пути к созданию действительно автоматических погодных станций и задали определенное направление очередным разработкам [9, 16] .

Важными этапами на этом пути явилась замена, примерно в 1966 г .

0,25-дюймовой ленты лентой в компакт-кассетах и дискретных компо­ нентов (отдельных транзисторов, резисторов и т. п.) появившимися тогда интегральными схемами (рис. 2.18). Выли созданы и такие устрой-* ства; в которых использовалась 0,5-дюймовая магнитная лента для ЭВМ в больших, изготавливаемых по заказу кассетах. 8-битовые записи д ан­ ных располагались параллельно поперек ширины ленты. Новые кас­ сеты стоили дороже кассет компактного типа, но обеспечивали очень Рис. 2,17. Один из первых регистраторов на магнитной ленте, созданный в середине 60-х годов .

Смонтирован в деревянном корпусе. См. такж е рнс. 2.-0 .

большой объем памяти, необходимый при работе в отдаленных трудно­ доступных районах. При использовании компакт-кассет данные реги­ стрируются последовательно по длине ленты с объемом памяти от 50 000 8-битовых слов (50 кбайт) до 100 кбайт и более. Достоинством компакт-кассет является очень низкая стоимость, их повсеместная рас­ пространенность, небольшая масса и малый размер, что делает их идеальными для пересылки по почте, а такж е длительное сохранение записи без необходимости затрат энергии на это .

Рис. 2.18. Одни из первых регистраторов середины 60-х годов, в котором использо­ вались компакт-кассеты .

Слева показан изготовленный позж е одноплатный интерфейс в виде модуля с одним разъемом для всех 12 входных каналов .

2.4.2.2. Твердотельные носители данных

Регистраторы с твердотельной памятью имеют гораздо более короткую историю, чем регистраторы на магнитных лентах. Они появились и стали доступными для широкого использования лишь в последние годы [23]. Существуют два типа твердотельных носителей, которые можно использовать для накапливания данных. Во-первых, это носители с произвольным доступом к данным (RAM), которые создаются на ос­ нове КМОП-технологии изготовления интегральных схем и расходуют мало энергии. Однако, чтобы сохранять запись, такие носители необ­ ходимо непрерывно подпитывать энергией, в связи с чем они получили название «энергозависимых». Во-вторых, есть носители, допускающие стирание информации, так называемые стираемые программируемые накопители «только — для — чтения» (EPROM ). Они отличаются от на­ копителей «только — д л я — чтения» (ROMS), которые программиру­ ются на предприятии-изготовителе и не допускают стирания информа­ ции. Используются они в постоянных запоминающих устройствах, соз­ даваемых для целей управления, и не пригодны в качестве накопителей данных в регистрирующих системах. Будучи однажды запрограммиро­ ванными (т. е. после однократного записывания на них данных), EPR OM уж е не требуют энергии для удержания занесенных данных, в связи с чем их называют «энергонезависимыми» носителями инфор­ мации. Стирание информации с них достигается не путем отключения энергопитания, а электрическим способом или посредством облучения ультрафиолетовым светом. В последнем случае интегральную схему но­ сителя помещают в «оправу» с кварцевым окошком, через которое видна его активная область. Носители информации всех перечисленных типов разрабатывались, конечно, для проведения обычных расчетов и целей управления, а не специально в качестве запоминающих устройств для регистраторов .

2.4.2.3. Сопоставление магнитной ленты и твердотельных носителей данных

Одним из препятствий для использования магнитной ленты для записи данных была недостаточная надежность лентопротяжных механизмов, и хотя за прошедшие годы их заметно усовершенствовали, по-преж­ нему могут возникать осложнения, если аппаратура эксплуатируется при температурах ниже — 10°С. Ненадежной становится и сама лента, которая при низких температурах делается менее гибкой. Однако кас­ сетные регистраторы успешно работали на станциях на о. Ю жная Геор­ гия [5], в Альпах, на Шотландских возвышенностях и во время экспе­ диций в Исландию. Поэтому представляется, что при выборе того или иного носителя данных с точки зрения его надежности помимо экстре­ мумов температуры не менее важно учитывать квалификацию опера­ тора и качество оборудования .

Сравнительно с магнитной лентой твердотельные носители более привлекательны не только присущей им надежностью, но и легкостью считывания данных. Однако в этом плане есть и исключения, и, напри­ мер, промышленность предлагает по крайней мере один регистратор, ко­ торый позволяет осуществлять запись и воспроизводить данные на од­ ном и том же аппарате, используя компакт-кассеты. Другим достоин­ ством твердотельных носителей является возможность индикации д ан­ ных! на месте, но это не такое уж большое преимущество, поскольку данные, поступающие к записывающей головке магнитофона, тоже не­ трудно воспроизвести. Опыт показывает, что если все до этого мо­ мента в порядке и лентопротяжный механизм действует исправно, то можно быть уверенным и в правильности записи данных на магнитную ленту. Конечно, нельзя утверждать совершенно определенно, что дан­ ные регистрируются, но вероятность этого велика .

По доставлении магнитных лент или твердотельных носителей на базовую станцию информация с них вводится в компьютер, который может представлять собой центральный процессор или микро-ЭВМ .

Д л я магнитных лент требуется механическое считывающее устройство, первые модели которых могли использоваться только в паре с регистра­ тором, для которого их спроектировали. Однако после введения между­ народных форматов записи, таких, к а к ЕСМА-34, BS5079, а не так давно Kansas City interface для дешевых кассетных магнитофонов, магнитные ленты стало возможным считывать иа самых разнообразных терминалах общего назначения. Если взамен ленты используются твердотельные носители, то ввод данных1 с них осуществляется непо­ средственно по кабелю. Хотя в этом случае «считывающего устройства»

как такового не нужно, может потребоваться какой-то интерфейс .

К этому вопросу мы вернемся в следующем разделе, когда речь пойдет о наилучшем способе вывода данных из регистратора .

При всех достоинствах твердотельных носителей информации вы­ сокая стоимость препятствует их использованию как прямой и простой замены для магнитной ленты. Например, на сети, состоящей, скажем, из 20 периферийных станций с регистраторами на магнитных лентах, на регистраторах будет занято 20 кассет, другая партия кассет будет находиться в пересылке на базу, возможно, почтой для обработки, третья партия будет ожидать обработки на компьютере на базе, чет­ вертая будет приготовлена для* возврата, в поле, пятая партия может быть уже отправлена, еще несколько кассет будут ж дать замены в ре­ гистраторах и еще сколько-то кассет нужно иметь про запас. При цене за штуку примерно 1 фунт стерлингов или меньше общая стоимость всех кассет будет не очень велика. Стоимость же одного твердотель­ ного съемного носителя объемом 4 кбайт слов составляет минимум 200 фунтов стерлингов. Поскольку емкость компакт-кассеты составляет от 50 до 100 кбайт, обычно получается примерно 2500-кратная разница в ценах. В связи с этим представляет интерес вопрос, каким образом предприятия-изготовители решают эту проблему .

2.4.2,4. Как изготовители регистраторов используют твердотельные носители данных Из-за нынешней высокой разницы цен многие изготовители не исполь­ зуют твердотельные носители просто как замену магнитной ленты. Они идут по другому пути, и уже сейчас молено: указать целый ряд техни­ ческих решений. В настоящее время промышленность выпускает несколько многоканальных регистраторов на твердотельных носителях, причем устройство памяти образует постоянную принадлежность ре­ гистратора. Это означает отказ от идеи смены носителя данных подобно магнитной ленте. Вместо этого предлагается каким-либо спо­ собом извлекать данные из устройства памяти. Обычно для этого тре­ буется, чтобы регистратор имел микропроцессор .

Подобный подход можно реализовать, например, с помощью «экстрактора данных». Экстрактор доставляют в пункт установки АМС и с его помощью извлекают данные, накопленные в памяти регистра­ тора. Экстрактор может иметь собственное устройство памяти на твер­ дотельных носителях, позволяющее удержать содержимое памяти нескольких регистраторов. После возвращения экстрактора иа базовую станцию содержимое его памяти можно ввести в микрокомпьютер или вывести на печать. Между такими экстракторами сейчас стало возмож­ ным производить обмен данными, используя интерфейс типа RS-232 .

RS-232 — международный сигнальный формат, широко применяемый для взаимного обмена данными, записанными в последовательной форме, причем единицы и нули представляются серией импульсов напряжением ± 1 2 В. При этом используется стандартный штырьевой соединитель (тип D ) со стандартными же функциями' штырей .

У экстрактора указанного типа есть собственный микропроцессор по­ мимо того, который имеется в регистраторе. Экстрактор может выпол­ нять такж е функции блока программирования, позволяющего опера­ тору вводить инструкции для микропроцессора регистратора. Естест­ венно, что такой прибор стоит дорого и не обеспечивает решения всех проблем .

Регистратор может выдавать данные в виде серии тональных сиг­ налов, причем одна частота будет соответствовать единицам, другая — нулям. По этому принципу работает эталонный интерфейс Kansas City, широко используемый для считывания и записи данных на компакткассеты на недорогих кассетных магнитофонах. Подобный магнитофон можно применять либо как портативный экстрактор, либо держать его постоянно в одном пункте, чтобы автоматически записывать данные на кассету, скажем, один раз в сутки. Последнее решение позволяет огра­ ничиться небольшой памятью, а собирать- между тем большое коли­ чество данных. Это полезный и к тому ж е недорогой гибрид устройств памяти на твердотельных носителях и магнитной ленте .

Еще одна возможность заключается в том, чтобы перевозить сам регистратор и вводить данные непосредственно в компьютер. Такой вариант осуществим лишь при близком расположении пункта полевых наблюдений к базовой станции (быстрый оборот логгеров) и -при усло­ вии, что не требуется непрерывность записей и нет финансовых} огра­ ничений. В этом методе вывод данных такж е осуществляется через интерфейс RS-232. Несмотря на различия в стоимости, некоторые из­ готовители рассматривают твердотельные носители как магнитную ленту и создают приборы, запоминающее устройство которых можно извлекать подобно ленте. В регистраторах такого типа применяются энергозависимые носители с произвольным доступом (RAM) или носи­ тели, стираемые ультрафиолетом или электрическим способом (EPRO M ). Некоторые системы просто временно удерживают данные в памяти и периодически телеметрируют их .

2.4.2.5. Предварительная обработка данных: производить ли ее на компьютере или регистраторе?

Кассетный регистратор обычно имеет объем памяти от 50 до 100 кбайт .

Это позволяет АМС регистрировать данные, скажем, от восьми датчи­ ков каждые пять минут в течение трех-четырех недель. Поступающие данные — «сырые», или первичные, в том смысле, что они еще не обра­ батывались и представляют собой результат прямого преобразования входных сигналов датчиков. После доставки кассет на базовую стан­ цию данные с них через посредство считывающего устройства вводятся в компьютер, оставаясь иа этом этапе все еще «первичными».) Затем в процессе обработки на компьютере на их основе получают средние значения и суммы в реальных единицах измерения. Отыскиваются максимальные, минимальные и другие значения, например, соответ­ ствующие определенному моменту времени, скажем, 09 ч для сопостав­ ления с обычными данными, полученными наблюдателями. Путем расчетов может быть извлечена и другая информация, содержащаяся в первичных данных, например, можно определить интенсивность осад­ ков или значения испарения за 5 мин. Программой, по которой выпол­ няются эти различные преобразования, может предусматриваться про­ верка качества первичных данных, позволяющая удостовериться, что результаты измерений попадают в диапазон, ожидаемый для данного времени суток, сезона и места [22] .

Типичный регистратор с запоминающим устройством на твердо­ тельных носителях имеет, однако, объем памяти порядка 4—32 кбайт, иногда несколько больше. На таком регистраторе невозможно было бы регистрировать восемь переменных каждые пять минут в течение нескольких недель, и поэтому до регистрации необходимо проводить предварительную обработку данных. Хотя предварительная обработка 6 Заказ X 256 s 81 частично может осуществляться в интерфейсе, например, путем сумми­ рования и осреднения, она гораздо эффективнее выполняется програм­ мируемым регистратором, т. е. имеющим микропроцессор .

2.4.3. П р о гр а м м и р у е м ы й регистратор

Наличие микропроцессора обеспечивает ряд преимуществ. Во-первых, упрощается сопряжение датчиков и регистратора, поскольку, например, род работы, чувствительность и диапазон каждого входного канала можно изменять с помощью команд, вводимых нажатием клавиши (вместо того чтобы перетаскивать или проводить перекомпоновку от­ дельных блоков и узлов). Менее частая регистрация данных, необходи­ мая в целях экономии объема памяти, уже не будет грозить потерей максимальных и минимальных значений, так как программируемый ре­ гистратор может обнаружить и зарегистрировать их отдельно за любой стратор может обнаружить и зарегистрировать их отдельно за любой заданный период. Точно так можно получить и другую дополнительную информацию, например, о скорости ветра при порывах. В случае изме­ рения осадков можно такж е достичь некоторой экономии объема па­ мяти, регистрируя время и дату каждого опрокидывания сосуда вместо числа опрокидываний за некоторый период. Такой способ регистрации осадков позволит точнее установить их распределение во времени .

Иногда регистрацию по тому или иному каналу бывает полезно вести при разных временных интервалах, что такж е осуществимо с помощью программируемого регистратора .

Программирование регистратора для выполнения этих различных функций можно производить с клавишного пульта, защищенного от атмосферных воздействий и расположенного на самом регистраторе, или с пульта, имеющегося на экстракторе, — изготовители предлагают и тот, и другой варианты. Однако указанный способ программирования регистратора оператором представляет не такое уж достоинство при­ бора, как кажется на первый взгляд, поскольку, обеспечивая гибкость операций, программирование остается довольно сложной процедурой .

Преимущество превратится в недостаток, если в поле работают неква­ лифицированные операторы, которые могут наделать ошибок, не под­ дающихся исправлению. Полезная особенность лабораторных регистра­ торов, у которых постоянно приходится изменять род работы, програм­ мирование не столь существенно для регистратора АМС, функции которого обычно остаются неизменными в течение долгого времени, охва­ тывающего годы. Если программа закладывается до установки реги­ стратора в поле и ее команды надежно и постоянно хранятся в памяти, то дело упрощается. Однако регистратор становится более сложным, что неизбежно отражается на его стоимости .

Что касается обработки данных на программируемом регистра­ торе, то она может принимать более сложные формы, чем на регистра­ торах без процессоров. Становится ненужным выводить первичные дан­ ные, вместо этого их можно преобразовывать в реальные значения. На некоторых регистраторах можно вычислять стандартные отклонения и получать гистограммы. Дело идет к тому, чтр скоро на регистраторе можно будет осуществить многие из тех операций, которые выполняет ЭВМ на базовой станции. Это не означает, что базовый компьютер станет ненужным. Важно, чтобы при использовании новых регистрато­ ров, почти независимых от других устройств, не получилось так, что их данные не будут попадать в основной банк, а затеряются где-то на периферии. Хотя при некоторых обстоятельствах независимость от больших компьютеров может быть выгодна, она не устроила бы иссле­ дователей, нуждающихся в большом банке надежных данных, которые можно использовать для самых разнообразных целей. Гарантией этому может служить только прямая, технически простая и бесперебойная передача данных с полевых станций на базовый компьютер .

Итак, хотя предварительная обработка данных на месте, безу­ словно, необходима (для экономии памяти), а возможность обрабатывать данные на регистраторе такж е имеет явные достоинства, поскольку обеспечивается определенная независимость от компьютера, при этом исключается возможность повторного обращения к первич­ ным данным при возникновении каких-либо вопросов. К сожалению, чем больше возможности программирования регистратора оператором, тем, похоже, больше появляется этих вопросов. Качество же получен­ ных данных проверить труднее, чем качество воспроизводимых первич­ ных данных .

Наконец, наличие микропроцессора в регистраторе позволяет вы­ водить данные в разной форме.,, Наиболее, важными из них являются следующие. Выходной сигнал в форме RS-232 непосредственно приво­ дит в действие микрокомпьютеры, печатающие устройства и телеметри­ ческие модемы. Тоновый выходной сигнал интерфейса Kansas City позволяет использовать для записи данные на магнитных кассетах .

Данные могут выводиться такж е в форме, позволяющей приводить в действие небольшие портативные точечно-матричные печатающие устройства .

Учитывая универсальность программируемых регистраторов, можно утверждать, что при умеренной на них цене они вытеснят в будущем регистраторы всех других типов. Какое направление получат новые разработки, судить трудно ввиду исключительно быстрого развития микроэлектроники. Однако чем больше знакомишься с тенденциями в конструировании регистраторов, тем более неопределенной и слож­ ной представляется ситуация. Становится необходимым сформулиро­ вать наиболее рациональные технические требования к регистраторам для АМС. Несомненно, что при создании такого регистратора должны быть учтены все достижения микроэлектроники, но вместе с тем достиг­ нут компромисс между универсальностью и простотой прибора и, что такж е важно, он должен быть при всем этом недорогим .

2.4.4. Источники питания

Поскольку в этой главе ведется речь об АМС, которые устанавли­ ваются в отдаленных местах, где отсутствуют линии электропередачи, такие АМС должны обеспечиваться энергией от аккумуляторов .

Несмотря на то, что значительная часть потерь данных связана с отка­ зами источников питания, этому вопросу часто не уделяют должного внимания .

2.4.4.1. Гальванические элементы Гальванические элементы — неперезаряжаемые источники питания. Их действие основано на химической реакции, при которой происходит окисление металлического анода и соответственно восстановление 6* катода из окисла металла. При этом процессе высвобождаются элек­ троны, создающие ток во внешней цепи. Так называемые «сухие» эле­ м енты— угольно-цинковые батарейки (элементы Лекланше) широко используются в карманных фонариках и других бытовых приборах. Из высококачественных материалов можно изготовить элементы, рассчи­ танные на большие нагрузки и способные питать приборы, которые пе­ рестают работать уже при незначительном снижении напряжения в цепи (например, кассетные магнитофоны). Температурные характеристики этих элементов таковы, что при быстрой сработке они выделяют тем больше энергии, чем выше температура, а при более медленном расхо­ довании, в течение, примерно, пол угода и больше, температуры свыше 35 °С приводят к снижению их емкости. Сравнительно с емкостью при 20 °С емкость элемента при — 10 °С уменьшается как минимум вдвое .

Щелочно-марганцевые элементы по своим характеристикам значительно превосходят угольно-цинковые: у них больше срок годности при хране­ нии, а диапазон рабочих температур растянут от —2 0 °С до Н-55°С .

Этим элементам всегда следует отдавать предпочтение перед угольно­ цинковыми. Сейчас появились также литиевые элементы. Потери из-за саморазряда у них настолько незначительны, что срок их годности при хранении достигает пяти лет. Поскольку в них используются не водные электролиты, эти элементы имеют хорошие характеристики при низких температурах и работают в диапазоне температур от —35°С до -j-70°C .

Запас энергии на кубический сантиметр в гальванических элемен­ тах разных типов различен и составляет примерно 0,15 Вт-ч для угольно-цинковых, 0,18 для угольно-цинковых же большой мощности, 0,25 для щелочно-марганцевых и 0,53 для литиевых .

2.4.4.2. Аккумуляторы

Аккумуляторы, из которых наиболее известны свинцово-кислотные и гшкель-кадмиевые, представляют собой перезаряжаемые источники питания. Д ля питания электронных приборов чаще используют герме­ тизированные свинцово-кислотные аккумуляторы, хотя с равным успе­ хом, особенно если не требуется сильный ток, для этого можно исполь­ зовать аккумуляторы открытого типа, работающие по тому же прин­ ципу и применяемые в автомобилях. В герметизированных аккумуля­ торах кислород, выделяющийся на аноде, во время подзарядки, при условии непревышения рекомендуемого зарядного тока, полностью ре­ комбинирует на катоде; во время разряжения процесс идет в обратном порядке. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют низкое внутреннее сопротивление и поэтому могут давать сильный ток даже при низких температурах. Достижимое число циклов зарядки — разрядки зависит от степени разрядки и составляет примерно от 200 циклов при полной разрядке до 700 при разрядке на 6 0 %. Однако в действительности аккумуляторы могут выходить из строя значительно быстрее, и их р а ­ бота во многом зависит от соблюдения условий зарядки. Саморазрядка аккумуляторов незначительна и составляет примерно 8 % за месяц при 20 С но значительно убыстряется при повышении температуры. Все С, эти трудноучитываемые факторы осложняют использование перезаря­ жаемых батарей сравнительно с гальваническими элементами. Плот­ ность энергии у герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора составляет примерно 0,15 Вт-см“3 .

Никель-кадмиевые аккумуляторы работают в диапазоне темпера­ тур от —40 °С до + 6 0 ° С при оптимуме порядка 25 °С. Однако при 0°С их емкость уменьшается примерно до 8 0 %, а при + 4 0 °С до 6 0 % .

Из-за саморазрядки за 2 месяца емкость уменьшается на 50 %, а за 5 месяцев они разряжаются полностью. По емкости они сравнимы со свинцово-кислотными аккумуляторами .

2.4.4.3. Солнечные батареи

Отдельный кремниевый фотодиод в режиме холостого хода дает напря­ жение 0,5 В. Такие диоды можно включать последовательно или парал­ лельно с другими элементами, чтобы повысить генерируемое напряже­ ние или ток. Сила тока зависит от площади поверхности диода и ин­ тенсивности солнечной радиации. Солнечные батареи можно использо­ вать для подзарядки никель-кадмиевых и свинцово-кислотных аккуму­ ляторов. При этом последовательное включение диода с аккумулято­ ром предотвращает появление напряжения обратного смещения при плохой освещенности. Д ля зарядки 6-вольтового аккумулятора доста­ точно 18 солнечных батарей, каж дая из которых имеет площадь по­ верхности 6 см2 и обеспечивает зарядный ток примерно 80 мА при ин­ тенсивности солнечного света от 0,5 до 1 кВт-см-2 .

–  –  –

Помимо или вместо того, чтобы регистрировать данные, поступающие с АМС, на месте, их можно передавать такж е на отдаленную базу. При­ чин тому может быть несколько, и самая важ ная из них обычно заклю ­ чается в том, что данные требуются немедленно, в реальном времени .

Данные бывают срочно нужны для предсказания погоды и наводнений, причем в последнем случае требуются и такие дополнительные пара­ метры, как уровни воды, возможно, сведения о влажности почвы и дру­ гие в зависимости от типа и сложности математической модели, на ос­ нове которой осуществляется прогноз. Могут потребоваться также прогнозы качества воды, и тогда будет необходимо передавать данные о химическом составе речных вод. Но данные могут передаваться и в отсутствие срочной необходимости в них, например, по той причине, что до самых отдаленных пунктов наблюдений трудно или дорого до­ бираться. Дистанционная передача данных из таких пунктов выгодна в двух отношениях. Во-первых, если пункт невозможно посещать доста­ точно часто, то для хранения данных, иногда в течение нескольких ме­ сяцев, требуется большой объем памяти у регистрирующих устройств.' Если же данные телеметрируются, то достаточен небольшой объем п а ­ мяти, скажем, рассчитанный на хранение данных, которые поступают за 24 ч. Поэтому по ежесуточным запросам необходимо извлекать со­ держимое памяти, чтобы подготовить ее на следующие сутки. В таких ситуациях особенно удобны твердотельные носители данных, поскольку объем памяти нужен небольшой и данные легко считываются и выво­ дятся из памяти. Но для этого в пункте наблюдений полезно иметь резервный кассетный магнитофон, страхующий от потери д анны х при выходе линии связи из строя. Второе преимущество, которое обеспечи­ в ает телеметрия,— раннее обнаруж ение неисправности оборудования на отдаленной станции. Неисправность об нар уж и вается тогда без п ромед­ ления, во всяком случае, явно быстрее, чем на станции, на которой д а н ­ ные накапл и ваю тся д л я последующего их сбора и обработки. Если те­ лем етрическая станция выйдет из строя, ее придется посетить с целью ремонта, но это случается значительно реже, чем нужно было бы посе­ щ ать АМС д л я сбора накопленных данных .

Периферийные станции могут вы зы ваться с базовой станции опе­ ратором вручную или компьютером автоматически. П е р ед ач а д ан ны х м ож ет производиться в несколько моментов времени или по превыш е­ нии определенного уровня сигналов. Выбор способа или комбинации способов передачи данны х будет определяться причинами, но которым необходимо телеметрирование .

2.5.2. С р е д с т в а п е р е д а ч и д а н н ы х

Д ан н ы е могут п ередаваться с периферийной станции на базовую по | радио, по телефону или комбинированным способом. Н а коротких рас- j стояниях радиосвязь осущ ествляется в д и а п а зон а х С В Ч или УВЧ, а на очень больших расстояниях — в д иапазоне ВЧ (табл. 2.1). В последнее время б л а го д а р я телеметрии через спутники возможности передачи данны х резко расширились .

–  –  –

2.5.2.1. Дистанционная передача данных по телефону Ввиду загруж енности радиодиапазонов добиться разреш ения на в е д е ­ ние передач на какой-либо частоте не всегда у д аетс я и при всякой возможности предпочтительнее использовать телефонные линии связи .

АМС подклю чается к телефонной линии с помощью «модема» (а б б р е­ виатура от слов М О Д у л я ц и я и Д Е М о д у л я ц и я ), который п реобразует цифровые сигналы, поступающие от АМС в виде импульсов постоян­ ного тока, в д ва тональны х си гн ала — один п редставляет нули и второй единицы. Этот метод известен к а к «частотная м анипуляция» (ЧМн) и подобен методу K a n s a s City, упоминавш емуся в р а зд ел е 2.4.3. Т о н ал ь ­ ные сигналы передаю тся по телефонной линии на базовую станцию, где снова преобразую тся аналогичным модемом в импульсы постоян­ ного тока. Д а н н ы е обычно пересылаю тся с частотой 300 бод (бит в се­ кунду). Вместо модема мож но использовать т а к ж е акустическое устройство связи, позволяю щ ее вы звать АМС с любого телефона н е за ­ висимо от того, оборудован он модемом или нет. Н о качество такой связи иногда о казы в ается хуже, потому что сн ач ал а данны е при­ ходится п реобразовы вать в звуковой сигнал, а затем опять в эл е к тр и ­ ческий. О д н ако при сильном сигнале никаких проблем не возникает .

Эти методы сейчас широко известны и постоянно используются при обмене данными м е ж д у компью терами, поэтому вд а ва тьс я в подроб­ ности нет необходимости .

2.5.2.2. Д истанционная передача данных по радио В табл. 2.1 у к а зан ы диапазоны радиочастот и их названия .

2.5.2.2.1. Диапазоны О В Ч и У В Ч Волны О В Ч и У ВЧ диапазонов ведут себя подобно световым и поэтому не могут распростран яться за пределы горизонта. Волны О В Ч д и а п а ­ зона реф ракти рую т несколько д альш е, чем волны У ВЧ д иапазона, но наилучший прием достигается в том случае, если п еред аю щ ая и прием ­ ная антенны находятся в п ред ел ах видимости друг от друга или на не­ значительно большем расстоянии. При использовании высоких мачт прием мож ет осущ ествляться на расстояниях до 40 км и более, а если передатчик и приемник располож и ть на возвы ш енны х местах, прием удастся вести на гораздо больших расстояниях, но это редко выполни­ мые условия. М ощность передатчика д о л ж н а составлять примерно 5 Вт на коротких расстояниях и до 25 В т на больших расстояниях или слож н ы х тр аектори ях распространения радиосигналов. М ногоэлемент­ ная антенна типа «волновой к ан ал» с коэффициентом усиления до 12 д Б позволяет направить излученную энергию в сторону приемника в виде узкого пучка. Обычно осущ ествляется «симплексная» передача, т. е. только в одном направлении, например, когда б азо в ая станция вы зы вает периферийную, а т а отвечает на вызов, пересы лая данны е на той ж е частоте [1]. Д а н н ы е передаю тся в такой ж е форме, к а к по т е ­ лефонной линии, т. е. нули и единицы передаю тся на двух разн ы х частотах (Ч М н ), м еж ду которыми находится несущ ая частота .

2.5.2.2.2. Дистанционная передача данных на большие расстояния Д о появления связи через спутники п ередача д ан ны х по радио на очень большие расстояния была затруднительной. В так и х случаях иногда используют р я д УВЧ- или О В Ч -ретрансляторов, отстоящих на 30— 60 км друг от друга, но это дорогостоящ ий способ. Возникает и проблема доступа к р етран сл яторам в целях технического о б сл у ж и в а­ ния, т а к к а к обычно они р асп ол агаю тся на значительном удалении от хороших дорог .

В доспутниковый период единственной альтернативой применению ретрансляторов б ы л а рад и освязь на В Ч диапазоне. В этом случае ис­ пользуются о т р аж аю щ и е свойства ионосферы, позволяю щ ие р ад и о во л ­ нам преодолевать огромные расстояния в резул ьтате серии отраж ений м еж д у ионосферой и землей. Р ад и о л ю б и тел ям хорошо известно, что за счет этого часто удается осущ ествлять связь вокруг всего земного ш а р а при довольно низкой энергии радиосигналов. Д л я дистанционной передачи данны х обычно приходится преодолевать расстояния лиш ь в несколько сот километров. Тем не менее связь на В Ч д иапазоне не­ удовлетворительна ввиду большой изменчивости силы сигнала и помех от других передатчиков, из-за чего вести передачу данны х значительно сложнее, чем в д иа п а зо н а х О В Ч и УВЧ. Путем слож ения сигналов с двух приемных антенн, разнесенных на расстояние в несколько длин

–  –  –

волн, проблему изменения интенсивности сигналов в зависимости от состояния ионосферы в какой-то мере можно решить, поскольку замирание сигналов в двух д а ж е достаточно близких пунктах редко бывает одинаковым. С той ж е целью можно использовать два передатчика и д ва приемника, раб отаю щ их на двух разн ы х частотах. Но эти методы дороги и при нынешней возможности связи через спутники прим еня­ ются редко. Тем не менее в конце 60-х годов была создана подобная система связи с помощью простых ВЧ-приемников ранцевого типа. Она пред назначалась д л я отдаленного района М ату-Гросу в Б разилии, о т­ куда данны е об осадк ах и уровнях передавались д л я прогнозирования наводнений в верховьях р. П а р а г в а й (рис. 2.19) [19]. Н есмотря на очень медленную скорость передачи и ручной способ деш ифровки сигналов, дан ны е наблю дений успешно пересылались с периферийных станций, удаленны х на расстояние до 600 км. З а т р а т ы на эту систему связи, нуж давш ую ся лиш ь в самом примитивном техническом обслу­ ж ивании, были очень низкими .

2.5.2.2.3. Связь через спутники Д анны е, п еред аваем ы е на спутник с отдаленной АМС, снова п ересы л а­ ются спутником на наземную приемную станцию. Поскольку п оло ж е­ ние геостационарного спутника относительно поверхности земли оста­ ется постоянным, передаю щ ую антенну мож но заф и ксировать в одном направлении. Р ад и ос вя зь осущ ествляется в д иапазо не У В Ч и требует мощности излучения всего в несколько ватт. Чтобы передавать данны е через спутник, АМС д о л ж н а иметь связь с одной из платф орм д л я сбора данны х (П С Д ) промышленного о бразца. П С Д обычно н а к а п л и ­ вает данны е за сутки в запом инаю щ ем устройстве на твердотельных носителях, а затем п ередает их за один р а з к а ж д ы е 24 ч; передачи мо­ гут быть и ежечасными. К аж д о м у пользователю д ля передачи д а н ­ ных отводится определенный п ром еж уток времени. П оэтому чтобы пе­ редача д ан ны х осущ ествлялась точно по времени, пользователь долж ен синхронизировать работу П С Д. П С Д м ож ет иметь микропроцессор, и тогда будут перед аваться обработанны е, а не первичные данные. В н а­ стоящ ее время дан ны е по Европе и Африке пересылаются через спутник «Метеосет» в Ф РГ, а оттуда по телексам распределяю тся среди ев р о­ пейских пользователей (при посредстве М етеорологического бюро Ве­ л икобритании). Н о в этой системе связи ож и д аю тся изменения, в р е­ зультате которых индивидуальные пользователи смогут осущ ествлять непосредственный прием их д анны х с помощью небольших и недорогих приемников. С ейчас приемное оборудование все ещ е остается сложным и дорогим, тогда ка к П С Д просты и дешевы .

2.6. Р а з р а б о т к а АМС

К акое ж е оборудование действительно используется на АМС? В этом заклю чительном р азд ел е р ас ск а ж ем об опытном об разц е АМС, создан ­ ном в Институте гидрологии. Хотя то бы ла, вероятно, одна из первых АМС и сейчас появились другие станции подобного типа, мы о б р а ­ тимся к данном у примеру, поскольку имеющиеся ф отом атериалы и опи­ сания позволяют точно проследить историю разработки, начиная с 1965 г .

2.6.1. О п ы т н ы й о б р а з е ц

В первой АМС (рис. 2.20), спроектированной в 1965 г., в качестве ком ­ понентов были использованы следую щие приборы промышленного изго­ товления: дож демер с опрокиды ваю щ имся сосудом, д атч и к остаточной радиации, пиранометр и три никелевых терм ометра сопротивления — один д ля измерения тем пературы воздуха и д в а д ля определения пси­ хрометрической разности. Термометры были заклю чены в миниатюрный экран конструкции Института гидрологии (вода д л я см ачивания т е р ­ мометра п о давал ась из сосуда, установленного на мачте). Д атч и к нап равл ен ия ветра тож е был сконструирован в Институте гидрологии, т а к к а к в это врем я промышленность не в ы п ускала подходящих прибо­ ров. В этом датч ик е магнит, закрепленны й на оси, «приводил в д в и ж е ­ ние цилиндр с расположенны ми внутри него герконовыми переклю чате­ лями. В институте ж е был спроектирован и датчик пробега ветра, поскольку вы пускавш иеся промышленностью контактны е анемометры не имели счетчика импульсов, подходящего д л я дистанционной регист­ рации (маломощ ны е интегральные К М ОП-схемы тогда еще не появи­ лись). В этой конструкции чашки вр ащ а ю т потенциометр через редукРис. 2.20. Опытный образец АМС, созданный в Институте гидрологии в 1965 г .

Справа в белом ящике виде» регистратор. (Испаритель не входит в эту систему.) тор. П робег ветра интегрируется механическим способом, а медленно н арастаю щ ее пилообразное н ап ряж ени е с потенциометра непрерывного вращ ения регистрируется к а ж д ы е пять минут (рис. 2.21). Д л я изм ере­ ния осадков было решено использовать 12-позиционный э л ектро м е­ ханический счетчик с коммутируемым выходом, поскольку дож дем еры с сосудом, вмещ аю щ им 0,5 мм осадков, д аю т за пятиминутный период не более 12 импульсов .

Пятиминутный интервал был принят в качестве стан д ар та д ля р е ­ гистрации измерений по нескольким причинам. Этот интервал не только достаточно короткий, чтобы 12-позиционным счетчиком можно было заф и ксировать максимальное число опрокидываний сосуда в д о ж д е ­ мере, но и позволяет осущ ествлять медленный привод интегрирующего анемометра. З а пять минут потенциометр мож ет совершить один пол­ ный оборот, б л а г о д а р я чему у дается измерять очень м алы е скорости ветра. Пятиминутный интервал позволяет т а к ж е регистрировать сол­ нечную и остаточную радиацию в виде мгновенных значений интенсив­ ности и проводить интегрирование на компьютере. П олучаем ы е при этом часовые сум марные значения хорошо согласую тся со значениями, определенными путем непрерывного интегрирования. Р егистрация и з­ мерений с пятиминутной частотой позволяет мириться со случайным пропуском одного из последовательности сигналов, поскольку д л я достижения адекватной точности обычно достаточно 10— 11 отсчетов .

П ятим инутные наблю дения позволяю т т а к ж е получать хорошие сред­ ние зн ачен ия тем пературы и психрометрической разности и, конечно, установить м акси м ал ьн ы е и минимальны е значения .

Н а рис. 2.20 справа в белой коробке находится один из первых про­ мыш ленных образцов регистраторов на магнитной ленте (см. рис. 2.17) .

В нем используются кассеты с 0,25-дюймовой лентой, имеют­ ся механические часы и стойка д л я п л а т 12-канального интер­ фейса. П и тан и е осущ ествляется от сухих батарей. Д а н н ы е ре­ гистрируются в виде простой последовательности импульсов, причем 5 импульсов означаю т нулевой входной сигнал и 105 им­ пульсов — 5-вольтовый входной сигнал; число импульсов пропор­ ционально входному н а п р я ж е ­ нию. Импульсы просто подсчи­ ты вались при воспроизведении записи и результаты либо р а с ­ печатывались, либо вводились прямо в компьютер — в то время Рис. 2.21. Механически интегрирующий анемометр .

Чашки приводят в действие потенциометр непрерывного вращения (слева) через редук­ тор (справа) .

P D P -8. Д л я предохранения регистратора от воздействия экстре­ мальны х температур, к которым, к а к выяснилось, он чувствителен, его переместили под землю в герметизированную яму .

К 1966 г. в конструкцию был внесен р яд изменений. Ц илиндриче­ ский экр ан д л я тем пературны х датчиков зам енили более открытым сооружением увеличенного р азм е р а (рис. 2.22), т а к как в п ервоначаль­ ном в ари ан те экр ан недостаточно вентилировался. Новый экран был изготовлен из трех алю миниевых пластин. Д атч и к и р асполагались в про­ странстве м е ж д у нижней пластиной, к которой они крепились, и в ер х ­ ними двум я, о бразую щ им и защ иту. Сосуд с водой д ля смоченного т ер ­ мометра теперь монтировался в корпусе э к р ан а сразу под пластиной с датчиками. Т а к а я конструкция имела повышенную естественную вен­ тиляцию и, к а к п о к аза л и испытания, быстрее р еаги р ов ал а на изменения температуры, чем обычный деревянный экран; на минимальных ж е и м акси м альн ы х значениях тем пературы это не отраж алось. Д атч ики ветра действовали по тому ж е принципу, что и в исходной модели, но были улучшены в п лан е технического исполнения. Не изменились и д а т ­ чики солнечной и остаточной радиации, а д ож дем ер был зам енен новой моделью из стекловолокна .

П а р ал л ел ьн о с работой по усовершенствованию датчиков на дого­ ворных н ач ал ах с промышленностью велась р азр а б о тк а новой регист­ рирующей системы (см. рис. 2.18). В итоге появилась, вероятно, пер­ в а я модель регистраторов, в которых д л я регистрации данны х исполь­ зовали сь компакт-кассеты. Вместо дискретных компонентов (отдель­ ных резисторов, транзисторов и т. п.) первого регистратора были применены появившиеся в то врем я микроэлектронные интегральные схемы. С озданный ещ е во второй половине 60-х годов, этот регистратор тем не менее в большом количестве экземпляров п р одол ж а ет использоРис. 2.22. Второй опытный образец АМС с новым термометрическим э к р а ­ ном л улучшенным техническим исполнением, созданный в 1966 г .

ваться Институтом гидрологии в пунктах р асполож ения его АМС и наш ел много других применений, например, д л я регистрации речных уровней. Регистраторы данного типа будут использоваться, видимо, еще не один год, пока им на смену не появятся приборы нового поко­ ления .

–  –  –

В 1970 г. по лицензии было выпущено примерно 20 станций первого промышленного образца. Н а рис. 2.23 они показаны при проведении испытаний в районе г. У оллингфорда. После этого станции устанавлиРис. 2.23. П ервые промышленные образцы АМС .

Внизу показаны асе 20 моделей при испытаниях в Уоллннгфорде в 19/0 г .

вались в различны х экспериментальных бассейнах д л я оценки в о зм о ж ­ ностей их эксплуатации в более суровых климатических условиях и в реальном рабочем режиме. В целях предохранения регистраторы на этом этапе тож е помещ али под землей в я м а х (внизу слева на рис. 2.24). Вскоре выяснилось, что новые регистраторы не требуют т а ­ кой защ иты, и п озж е их стали устанавл и вать в деревян н ы х коробах на поверхности земли. Но при некоторых обстоятельствах регистраторы

–  –  –

лучш е устан авл и в ать иод землей. Это позволяет защ итить их от актов ван дал и зм а, а в районах, в которых тем пературы могут понижаться до — 10°С и ниж е у д ается таким образом расш ирить их рабочий диапазон .

Д л я защ иты от экстрем альны х температур на «горячем» конце к л и м а ­ тического д иа п а зо н а регистраторы разм ещ али сь под землей т а к ж е в Л ивийской С ахаре. П ри этом д ож д ем еры ставили просто на поверх­ ность зем ли (вверху сп рава на рис. 2.24). В последующем дож демеры обычно стали устанавл и вать на уровне земли (см. рис. 2.13). В цел ях сопоставления результатов измерений в этом и ряд е других районов станции устанавли вались парками на небольшом удалении д р уг от друга. В этот первый экспериментальный период дистанционной э к с ­ плуатации АМС, когда было извлечено много полезных уроков, к а с а ю ­ щихся не только приборной части, но и способа материально-техниче­ ского обеспечения, наиболее приспособленного д л я эксплуатации сети АМС [17], дублирование п озволяло т а к ж е добиться высокого возврата данных .

К 1972 г. была завер ш ен а работа по составлению технической д о­ кументации. П ринципы конструирования не изменились, но к тому в р е­ мени у ж е появились счетчики на интегральны х схемах, и механически интегрирующий анемометр был заменен моделью импульсного типа .

П осле 1972 г. новые АМС появились во многих рай он ах В еликобрита­ нии и в других странах. Д л я И нститута гидрологии АМС за истекшее десятилетие превратились в основное средство сбора информации .

В этот период п родолж алось усоверш енствование датчиков и реги стра­ тора, а т а к ж е оперативных и вычислительных процедур и программного обеспечения .

2.6.3. Б у д у щ и е р а з р а б о т к и

Ведущиеся в настоящ ее время р азрабо тк и позволят эксплуатировать АМС в горных рай о н ах и у слови ях Арктики, где сбор д анны х был до сих пор невозможен из-за метелей, обледенения и сильных ветров. Н а основе проведенных исследований были предлож ены новые способы предотвращ ения обледенения без применения энергии и созданы д а т ­ чики новых типов, которые найдут применение и в АМС общего н а з н а ­ чения [18] .

В ходе экспериментов по использованию АМС в сочетании с п л а т ­ формами д л я сбора данны х разви ваю тся т а к ж е методы оперативной дистанционной связи через спутники. Сейчас дан ны е передаю тся через спутник «Метеосет» один раз в сутки. В следующем десятилетии связь через спутники приобретет еще большее значение .

Наконец, ведется проектирование станции качества воды к а к д о­ полнительного компонента АМС, который позволит осущ ествлять изме­ рения в отдаленных районах, где это еще невозможно .

2.7. Выводы

Р а з р а б о т к а АМС ведется у ж е в течение примерно двух десятков лет. Этот период озн ам ено в ал ся быстрым развитием электроники, в р е­ зультате чего совершенно изменились способы регистрации, передачи и обработки данных. В виду сохранения и явного убыстрения этих тен ден ­ ций сейчас трудно сказать, каким и станут АМС через 10 лет. Р а з ­ раб о тка АМС п р ев р ащ а ется в исключительно интересную область д е я ­ тельности, особенно если учесть широкий д и ап азо н исследуемых проб­ лем, начиная с а н а л и за и зм еряем ы х переменных, теории и п роектиро­ вания датчиков, аналоговых и цифровых электронны х систем интерфейса, принципов действия и конструирования логгеров, передачи д анны х по радио, телефону и через спутники, материально-техническое об сл у ж и ­ вание сетей АМС и кончая опытом эксплуатации этих станций в экстр ем ал ьны х климатических условиях в разли чн ы х рай он ах з е м ­ ного ш ара .

Наконец, есть р яд дополнительны х переменных, которые не н аб ­ лю даю тся на АМС, но д о лж н ы измеряться, в том числе в лаж н ость почвы и градиент давлен ия, уровень водного зер к ал а, речные уровни, качество речной и до ж д евой воды. Об этих переменных то ж е было с к а ­ зано выше, поскольку соответствующие д ан ны е часто регистрируются на одном и том ж е регистраторе п ар ал л ел ь н о с данны ми АМС или о т­ дельно на аналогичны х регистрирую щих устройствах .

Благодарности Автор в ы р а ж а е т признательность директору Института гидрологии д-ру Д ж. С. Г. М ак -К улоху за помощь и ободрение при подготовке этой главы, а т а к ж е его б ли ж айш им сотрудникам за оказанную под­ держ ку .

С П И С О К Л И Т Е РА Т У РЫ

–  –  –

3.1. Введение Р асп ространи вш ееся несколько лет н а за д в ы р аж ен и е «кислотный дож дь» воспринималось ка к одно из новообразований в научном ж а р ­ гоне, предлож енны х д л я описания определенных изменений в химии атмосферы. Но впервые этот термин был использован еще в 1872 г .

английским химиком Робертом Ангусом Смитом в его книге «Воздух и д о ж д ь: н ач ал а химической климатологии» (R obert A n g u s Smith:

«Air an d R ain: The B e g in n in g s of C hem ical C lim atology »). Смит р а з ­ личал три типа воздуха в М анчестере и его окрестностях, в том числе «воздух с серной кислотой или кислым сульфатом в самом городе» .

П очему в наши дни «кислотный дож д ь» стал одной из самых ост­ рых проблем окру ж аю щ ей среды? О дна из основных причин этого — гидрологическая: вследствие переноса водой кислых веществ и с о з д а ­ ваемых ими соединений сквозь почву, через корнеобитаемый слой и з а ­ тем в реки и озера атмосферное явление породило проблему з а г р я з н е ­ ния воды.

Р я д клю чевых факторов, определяю щ их современное закисление почв и воды, явл яю тся гидрологическими по своему характеру:

это интенсивность снегового стока, русловой сток, врем я пребывания в почвах, сезонные циклы и процессы перемеш ивания в озерах. П о ­ этому интерес гидрологов к проблеме кислотных дож дей вполне поня­ тен. Проводя соответствующие исследования, они могут внести в к л ад в решение р яд а неясных вопросов закислен ия окр уж аю щ ей среды .

3.2. Кислотные дож ди и выпадения серы

В ы раж ен и е «кислотный дождь», несмотря на частое его использование и самоочевидный смысл, недостаточно четко о т р а ж а е т некоторые в а ж ­ нейшие особенности этого явления .

Во-первых, что значит «кислотный» дож д ь? Значение pH = 7, со­ ответствующее н ейтральному раствору, неудобно к а к отсчетная точка, поскольку атм осферны е осадки обычно будут находиться на «кислой»

стороне ш калы (более низкие значения p H ). Д о ж д е в а я вода, н а х о д я ­ щ а яся в равновесии с атмосферной двуокисью углерода С 0 2, будет иметь p H = 5,6, в связи с чем это значение обычно и используется, чтобы р азл и ч а ть «кислотный» д о ж д ь от некислотного «естественного»

дождя. О днако в атмосфере повсеместно распространены химические 7 З ак аз JV 256 ® 97 соединения естественного происхождения (морские соли, почвенные ч а­ стицы, вулканические газы, выделения растительности и т. п.), кото­ рые влияю т на pH осадков. Поэтому значение pH = 5,6 мало что го­ ворит о научных аспектах проблемы .

Во-вторых, разв е только кислотный «дождь» приводит к закислению среды? Конечно, не он один! В северных странах больш ая часть годовых осадков в ы п ад ае т в виде снега и, к а к известно, в моменты сне­ готаяния водные экосистемы испытываю т эпизодический стресс. П о ­ мимо ж идкой и зам ерзш ей воды в осадках, несущих закисляю щ и е компоненты, нужно учиты вать т а к ж е «сухое осаждение» в виде аэр о ­ зольных частичек и газов, адсорбирую щ ихся или налипаю щ их на р а з ­ личных поверхностях при соударении с ними. Сухое осаж дение окислов серы и азота, сл у ж а щ и х источниками обр азован ия кислот, п рео б ла­ д а е т над в л аж н ы м осаждением вблизи источников эмиссий, но обычно становится сопоставимым с ним на большом удалении от источников .

В-третьих, фактически опасна часто не кислотность к а к так о вая, т. е. концентрация ионов водорода в осадках. Кислотность определяет так ие прямы е эффекты, к а к повреждение лиственного покрова, корро­ зию и поступление кислот непосредственно на водную поверхность .

Но если иметь в виду кратковременную изменчивость кислотности речного стока, то главное значение приобретает содерж ание п одв и ж ­ ных анионов в вы падениях из атмосферы, т. е. количество отрицательно за р я ж ен н ы х ионов, которые легко проходят через бассейн. П одвиж ны м яв ляется анион хлора, но он появляется исключительно из морских брызг в сопровождении почти эквивалентного количества натрия и не

–  –  –

1 Типичный состав осадков на юге Швеции в середине 70-х годов [63] .

2 Средние концентрации по данным за период с января 1977 г. по декабрь 1979 г .

[71]. В период с ф евраля 1980 г. по декабрь 1981 г. измерены так ж е концентрации ряда других металлов: Р Ь —7,4; Cd = 0,27 и Zn = 10,4 м к г/л (согласно личного сообще­ ния сотрудника Н орвежского института атмосферных наук Е. Jo ra n g e r) .

3 Средние концентрации по данным за период с января 1978 г. по декабрь 1979 г .

[71]. Западны е ветры с Атлантики приносят на эту станцию малозагрязненные осадки .

4 Среднегодовые концентрации в осадках за период с 1963 по 1977 г. [61] .

ответствен за наб лю д аю щ ую ся тенденцию закисления среды. В вып адениях из атм осферы сейчас резко возросло со держ ан ие сульфати нитрат-ионов, что связано с выбросами в атмосферу окислов серы и азота при сж игании ископаемых горючих материалов. Зн ач и те л ьн ая часть азота поглощ ается растительностью, тогда ка к сульфат-ионы пе­ рем ещ аю тся в среде почти беспрепятственно (см. разд ел 3.5.6 о под­ виж ны х ан и онах). При прохождении сквозь почву они могут уносить с собой эквивалентны е количества положительно зар я ж ен н ы х ионов .

П оэтому на почвах, легко отдаю щ их ионы водорода, выпадения серы имеют реш аю щ ее значение д л я закислен ия воды .

П омимо присущей им повышенной концентрации ионов водорода (кислотность), а т а к ж е наличия серы и азота, д л я кислых выпадений часто характерн о присутствие повышенных концентраций т яж ел ы х металлов, некоторых м еталлов-микроэлем ентов и органических з а г р я з ­ нений из р азн ообразн ы х антропогенных источников. Воздействие пе­ речисленных загр я зн я ю щ и х веществ на среду в этой главе не р а с с м а т­ ривается .

Т аким образом, нужно иметь в виду, что «кислотный дож дь» — он не только кислотный, и не только дождь. Р ас с м а т р и в а я проблему з а ­ кисления воды, лучше было бы использовать термин «серные в ы п ад е­ ния», хотя он тож е д а л е к от совершенства. В табл. 3.1 приведены при­ меры химического состава осадков .

3.3. Глобальные м асш табы явления

–  –  –

Р аспространенность и перенос серы и азота, к а к и других элементов, определяю тся биогеохимическими циклами. За гр я зн ен и е мож но р а с ­ см атри вать к а к нарушение обращ ения элементов, местами и врем е­ нами приводящ ее к чрезмерно высокой их концентрации, в чем-то не­ благоприятной или опасной .

Глобальные оценки б а л а н с а серы сильно разн ятся, но установ­ лено, что антропогенные эмиссии серы (главным образом в виде S 0 2) примерно равны естественной эмиссии, хотя последнюю труднее о ха­ рак тери зо вать количественно [22, 32, 41, 80]. Кроме того, известно, что антропогенный в к л ад в 70-е годы в о зрастал в Европе в среднем на 2 — 3 % ежегодно [6 8 ] и что антропогенные источники атмосферной серы, располож енны е на северо-западе Европы и востоке Северной Америки сейчас обеспечивают к а к минимум 90 % всех эмиссий [37, 6 8 ] .

С производством энергии связано примерно 40 % эмиссий S 0 2 в Е в ­ ропе и более 50 % в Северной Америке [30] .

С ерная кислота H 2S O 4, п ред став л яю щ ая собой продукт окисления отходящего г а з а — двуокиси серы, примерно на 7 0 % обеспечивает среднегодовую кислотность осадков на северо-западе Европы и на 60 % на востоке Северной Америки. Почти всю остальную часть обес­ печивает азотная кислота H N O 3. Хотя глобальны е б алан сы соединений азота известны ещ е хуже, чем серы, естественные источники нитратов, по-видимому, сопоставимы с антропогенными. Основные антропогенные эмиссии соединений азота приходятся на Европу и Северную Америку [49]. По некоторым сведениям за последние 25 лет на обоих континен­ тах концентрация нитратов в осадках в о зр а с т а л а быстрее, чем серы [35, 60, 6 8 ] .

В виду отсутствия длинных рядов наблюдений кислотность и про­ чие химические характеристики осадков в других ч астях мира недо­ статочно изучены, но есть все основания считать, что у казан н ы е тен­ денции загрязнени я атмосферы типичны и д ля остальных промы ш лен­ ных районов .

Р еги он а ль н ая и континентальная карти н а кислотных выпадений уж е хорошо изучена и определенно д о к аза н д а ж е трансарктический перенос загр я зн я ю щ и х веществ, вкл ю ч а я серу, из Европы на А ляску [76, 89]. Такой перенос на несколько тысяч километров возможен вследствие низкой скорости окисления S 0 2 до H 2S O 4 в условиях холод­ ного и темного зимнего периода, сравнительно малого количества о сад ­ ков в Арктике и низких темпов сухого осаж дения на снежной поверх­ ности .

3.3.2. Временные тенденции Химический состав осадков, вы п ад ав ш и х в прошлом, молено изучать по колонкам льда, извлеченным из полярных ледовых щитов. Со­ гласно р яд у авторов, з а последние 100 лет в снеге и л ьд ах Гренландии заметно возросли концентрации свинца и неморских сульфатов [ 1 2, 65]. В колонках льд а с острова Элсмир содерж ание кислых компонент стало возрастать с н ач ал а 30-х годов [56]. Новейшие исследования снежного покрова в А нтарктике у к а зы в аю т на ничтожно малы й антро­ погенный в к л ад в загрязнени е соединениями серы, и в числе основных источников выдвигаю т вулкан и зм [8 ] .

В связи с быстрым увеличением эмиссий серы з а последние д есяти ­ летия следовало бы ож и д ать и соответствующего увеличения содерлеания серы в воздухе и осадках, поскольку все, что вы б р асы вается в а т ­ мосферу, доллено снова в озвращ ать ся из нее. Достаточно качественные европейские дан ны е по химии атмосферы, собранные за 25 лет, у к а ­ зы ваю т на увеличение содерж ания серы в о са д к ах во многих районах Европы со средины 50-х по средину 60-х годов. Значение pH осадков на ряд е станций уменьшилось на единицу, что соответствует д еся т и ­ кратном у возрастанию кислотности. После 1970 г. кислотность осадков изменилась незначительно. Тот факт, что содерж ание серы и кислот­ ность осадков м ало изменились за последнее десятилетие, молено об ъ­ яснить возросшей кислотностью воздуха, исключающей дальнейш ее по­ вышение о б разов ан и я серной кислоты и тем самым приводящей к у ве­ личению доли сухого осаж д ен ия [92] .

3.3.3. Выпадения серы

Сухое осаледение серы п реоб ладает вблизи источников эмиссий (при­ мерно 5 г серы на кв. метр за год в Ц ентральной Европе) и быстро уменьш ается с увеличением расстояния от источника (примерно 0,1 г S /m2 за год на севере С кандинавии). Влаленое осалсдение у б ы ­ вает медленнее и составляет за год от 1,5 г S /m2 вблизи источников до 0,25 г S /m2 в отдаленных районах. В районах с большим годовым количеством осадков, например, на юлшом и зап ад н о м поберелсье С кандинавии (1000— 4000 м м /го д ), в л аж н ое осаж ден ие серы будет з н а ­ чительным и сопоставимым с осаж дением в районе эмиссий, хотя кон­ центрация сульфат-иона в о са д к ах будет не очень велика .

Изолинии проведены с интервалом, соответствующим изменению концентрации Н+ на Ю мкмоль/л .

т. е. концентрациям (мкмоль/л) 10, 20, 30 и 50 будут соответствовать значения pH, равные 5,00;

4,70; 4,52 и 4,30 (согласно [98]) .

С уммарное (сухое и в л аж н ое) годовое осаж ден ие серы составляет сейчас на юге С кандинавии примерно 1,5— 2,0 г S / m2. Чтобы исклю ­ чить закисление озер в рай о н ах загрязнени я, общее осаж дение серы, согласно недавней м еждународной рекомендации [93], не д олж но п ре­ вы ш ать 0,5 г S/m2 в год. Н а рис. ЗЛ по казано среднегодовоое значение pH осадков в Европе .

3.4. Закисленне водоемов. Масштабы и тенденции Н а планете есть так ие области, в которых воды кислые по естествен­ ным причинам. Зд ес ь речь будет идти лиш ь о поверхностных водах с п ризн акам и недавнего закисления. О к азы вается, что значительные изменения кислотности воды отмечаются не во всех районах, где в ы ­ п ад аю т кислотные осадки. К а к будет отмечено в р азд ел е 3.5, воздей­ ствие кислотных осадков в большой мере зависит от типа коренных и покры ваю щ их осадочных пород. Н аиболее сильно оно проявляется в р ай о н ах с тонким верхним слоем осадочных пород и кварц-содерж ащ и м и коренными породами, например, гран и там и и гнейсами, р а с ­ пространенными в С кандинавии и К ан ад е на больших площ адях. З а кисление отмечается в бассейнах, зан яты х сильно выветрелыми песча­ ными почвами с низкой нейтрализующей способностью .

Х арактерное д ля наших дней явление закислен ия воды детально изучалось в следую щих районах:

1) ю ж н ая Н орвегия [71];

2) ю ж н ая Ш веция [63, 92];

3) ю ж н ая Ш отлан ди я [99]; 1

4) провинция Онтарио, К а н а д а [5, 43];

5) провинция Н ов ая Ш отландия, К ан ад а [33];

6) горы З а п а д н ы е Адирондак, СШ А [84];

7) штат Мэн, СШ А [27] .

Известен и р я д других районов с признаками недавнего зак и сл е­ ния вод.

В Европе в их числе следует упомянуть:

1) Тюриигенский Лес, Г Д Р [101];

2) Чешский Лес, Ч ехословакия, см. в [29];

3) Р удн ы е горы, Г Д Р [73];

4) полуостров Ю тландия, Д а н и я [77];

5) Б ельгия [96];

6) Н и д ерл ан ды [25];

7) Ф инляндия [72] .

Кроме упомянутых, на севере Америки есть и другие районы, воды которых т а к ж е подверж ены закислению (см. [67]). Закисление, ви­ димо, имеет место та к ж е в ш татах Ф лорида и Н ы о-Д ж ерси [100] .

В ряде названны х районов факт закисления можно установить путем сопоставления значений pH из прежних и более поздних изме­ рений. Однако нужно заметить, что ран ьш е измерения обычно вы пол­ нялись с помощью колориметрического метода, и поэтому сравнивать прежние и новые данные, полученные потенциометрическим методом, затруднительно. Колориметрические измерения p H воды с низкой э л е к ­ тропроводностью могут сод ерж ать большие систематические погрешно­ сти. Но в некоторых случаях н аб лю даю щ ееся ухменьшение pH п ред ­ ставляется слишком значительным, чтобы его можно было объяснить экспериментальными погрешностями .

Д ан н ы е об изменении состава воды, которые пригодны д л я оценки тенденций закисления, можно дополнить данны ми других типов. Ход закисления можно проследить, например, по резу л ьтатам исследований видового состава диатом овы х в колонках донных отложений [26, 78] .

Н а рис. 3.2 приведен пример таких д ан ны х д ля одного из озер в Швеции .

Об изменениях химического состава воды в рай он ах выпадения кислотных осадков можно судить по состоянию популяций рыб (см .

Рис. 3.2. О значении pH воды можно судить по относительному оби­ лию диатомовых водорослей в осадках оз. Гордшён, расположенном на западном побережье Швеции. История изменений pH вплоть до момента окончания ледникового периода прослежена по трехметро­ вой колонке осадков (а); более детальная картина, охватывающая последние несколько сотен лет, представлена на рисунке (б) (со­ гласно [78]; воспроизводится с разрешения журнала Ambio) .

–  –  –

Рис. 3.3. Вымирание популяции кумжи в четырех округах на крайнем юге Норвегии .

На диаграмм е справа показано современное состояние запасов рыбы в озерах, клас­ сифицируемых как водоемы с нормальными или разреженными популяциями [64] .

раздел 3.11) .

Соответствующее уменьшение численности нельзя о б ъ яс­ нить ни заб ол еван и ям и рыб, ни переловом, ни местным загрязнением .

Н а ч и н а я с 1940 г. сообщения об уменьшении численности рыб и ис­ чезновении целых популяций поступали из ю ж ны х районов Норвегии, южных и зап ад н ы х районов Швеции, провинции Онтарио (К а н а д а ),

–  –  –

района гор А ди рондак (СШ А) и провинции Н о в ая Ш отл ан ди я ( К а ­ н а д а ). Особенно подробно временные тенденции прослежены д л я популяций рыб в озерах на крайнем юге Норвегии (рис. 3.3). Хотя эпизодические сообщения о гибели ры бы в этом районе, вероятно, от зак исл ен ия воды, поступали ещ е до 1900 г., самы е катастрофические изменения отмечались в последние десятилетия. В н астоящ ее время ры бы практически лиш ены озера на п лощ ади свыше 13 000 км2 и еще на п лощ ад и 20 000 км2 ры ба стал а малочисленной (рис. 3.4) .

3.5. Процессы Речной бассейн — очень с л о ж н ая система, и в закислении поверхност­ ных вод могут участвовать многие факторы, например:

1) взаимодействия м еж ду растительным покровом и выпадениями из атмосферы;

2) углекислый газ;

3) органические и другие слабы е кислоты;

4) накопление в бассейне и вынос из него различны х веществ, осо­ бенно соединений серы;

5) реакции окисления и восстановления (соединений серы и а зо т а );

6) поглощение и выделение ионов растительностью и почвой;

7) химическое выветривание пород;

8) содерж ание микроэлементов и миграция металлов;

9) гидрологические факторы .

3.5.1. В за и м о д е й с т ви е с раст ит ельны м п о к р о в о м

При контакте с поверхностью растений и внутриклеточной ткани сухие и в л аж н ы е осаж д ен ия подвергаю тся изменению. Химический состав стекаю щ ей воды или эффективны х осадков на участке растительного покрова зависит от множ ества факторов, вкл ю чая характеристики р а ­ стительности и почв, особенности местных условий и климат. Ввиду большого р азн оо б рази я природных условий сделать какие-либо обоб­ щения в этом случае затруднительно. Исклю чительно изменчива так ж е податливость разли чн ы х элементов вы щ елачиванию и различны х ч а ­ стей растений этому процессу .

3.5.2. У гл е ки сл ы й газ

Д ав л е н и е СОг в атм осфере составляет примерно 0,3 гП а, но в почве в результате деятельности микроорганизмов оно м ож ет повышаться в 100 р а з и более. Такие высокие д ав л ен и я С 0 2 в условиях равн ове­ сия с чистой в прочих отношениях водой могут приводить к снижению p H до значений менее 4,7. О д н ако в речном стоке равновесие уста­ н авливается не при д авл ен ии СОг, отмечаю щ емся в почве, а при ином, близком к давл ен ию С 0 2 в атмосфере. Поэтому углекислый газ вряд ли м ож ет в ы зв ать снижение pH в поверхностных водах до значений, намного меньше 5,5 .

3.5.3. О р г а н и ч е с ки е кислот ы

Считается, что двум я основными источниками Н+ в почвах яв л яю тся органические и угольная кислота. Хотя органические кислоты могут вы зы вать сильное снижение p H в озер ах с мягкой водой, данных, у к а ­ зы ваю щ и х на связь отмечающ егося регионального закисления с такими соединениями, не имеется [48], И мею щ иеся дан ны е синхронных обсле­ дований чистых кислых озер относятся главны м образом к озерам со слабоокраш енны м и водами и, следовательно, с незначительным содер­ ж а н и ем органических кислот. Если p H становится меньше 5, то начи­ нает п роявляться буферное действие гуминовых кислот, препятствую ­ щее дальнейш ему закислению .

3.5.4. Р е а к ц и я азот а

Нитрат-ионы могут непосредственно усваи ваться растительностью с высвобождением ионов гидроксила или бикарб оната, что оказы вает н ейтрализую щ ее действие на почвы. Напротив, аммоний, используемый растениями, яв л яется источником водородных ионов. В процессе нит­ рификации аммония бактериями тож е п оявляется Н+. Т акое высвобо­ ж дение Н+ могло бы явиться значительным источником закисления плохо забуф еренны х почв и поверхностных вод. Если растения усваи ­ ваю т азот в составе эквивалентны х количеств NH+ и N 0 ", результи ­ рующего высвобождения Н+ и б ик арб о ната не происходит .

3.5.5. Р е а к ц и я с е р ы

Подобно азоту, сера яв л яется важ н ы м питательным элементом р асте­ ний, но обычно она присутствует в почвах в количествах, достаточных д л я их развития .

В некоторых бассейнах, главны м образом там, где почвы об ога­ щены полуторными окислам и F e и AI, сульфат-ионы могут у д ер ж и ­ ваться в результате адсорбции (см., например, [54]). П од действием бактерий сульфат-ионы могут в осстанавливаться до сульфида. При этой реакции происходит расходование кислоты, и pH системы почва— вода повышается. С другой стороны, сера и сульфид-ион могут быть окислены до сульф ата, например, в засуш ливы е периоды, и тогда по­ явится кислота .

Сезонное накопление и расходование соединений серы играет в а ж ­ ную роль во многих бассейнах .

Н есмотря на многочисленность возмож ны х реакций, значительная часть S 0 2 и S O 2- из кислых осаждений не уд ерж и вается в почве и S0*~ часто выступает к а к анион, компенсирующий наличие Н+ и других катионов в поверхностных и неглубоких подземных водах .

Во многих бассейнах отмечается достаточно тесная связь меж ду о с а ­ ждением серы и ее выведением [1] .

3.5.6. Р о л ь п о д в и ж н ы х а н и о н о в

Поскольку в почвенном растворе д олж ен п оддерж иваться б ал ан с з а ­ рядов, в ы щ елачивание катионов почвы в значительной мере зависит от подвижности аниона, ассоциируемого с кислотой .

«Концепция подвижных анионов» о ка за л а с ь полезной при р ассм от­ рении эффектов переменного осаж дения в химии пресных вод [21, 53, 54, 86]. Эта концепция иллю стрируется рис. 3.5, на котором предельно схематично показано поступление и вынос различны х веществ из б ас­ сейна. К онцентрации ка л и я и ам мония в речном стоке обычно неве­ лики. Ввиду характерного д л я многих лесов деф и ци та азота обычно невелики и концентрации нитрата. В сезон вегетации N 0 " большей частью усваи вается растениями и, следовательно, не вносит в к л ад а в вы щ елачивание катионов. N 0 " м ож ет вы своб ож д аться во врем я сне­ готаяния и после вырубки леса, но в большинстве районов кон ц ен тра­ ции нитрат-иона в речном стоке малы сравнительно с концентрацией

–  –  –

S O 2-. Во многих бассейнах концентрация хлор-иона и в осадках, и в речном стоке м а л а или ж е Na+ и С1~ встречаются примерно в р а в ­ ных количествах, т а к что в первом приближении эти ионы мож но не принимать во внимание .

В связи с этим сульфат-ионы начинаю т играть зам етную роль в переносе катионов, в кл ю чая Н+ и ионы А1, особенно в кислой воде с п ренебреж имо малой концентрацией б ик арб оната [71] .

3.5.7. П о г л о щ е н и е и в ы с в о б о о к д е н и е и о н о в р а ст ит е льн ост ью и почвой Н а рис. 3.6 о траж ен ы несколько в аж н ы х моментов, касаю щ ихся в л и я ­ ния растительности и почвы на обмен ионов. Н а нем показано, что корни растений поглощ аю т различны е катионы и вы свобож даю т Н + .

При накоплении или удалении растительной массы будет происходить закисление почв. Это типично д л я хвойного леса на кислой почве (см .

т а к ж е разд ел 3.9, в котором упоминаются и другие источники з ак и с­ л ен и я) .

Одним из самы х в а ж н ы х процессов в развитии закисления я в ­ ляется катионный обмен. Почвенные частицы обычно имеют отр и ц а­ тельно зар яж ен н ую поверхность и поэтому окруж ены слоем катионов (рис. 3.6). Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, нахо­ дящ иеся в растворе. Катионный обмен м ож ет приводить к увеличению

–  –  –

или уменьшению концентрации Н + в речном стоке. Поэтому, когда р а з ­ бавленный раствор нейтральных солей просачивается сквозь почву, вследствие обмена прочих катионов иа водородные ионы фильтрат становится кислым (см., например, [97]). Из этого следует, что кис­ лотность речного стока будет зависеть от кислотности почвы, состава ионов, присутствующих в ‘выпадениях, а т а к ж е от степени контакта между водой и почвой .

Если основная часть ионов Н +, со держ ащ и хся в атмосферных о сад­ ках, обменяется на другие катионы, речной сток не будет кислым, но вместо этого м ож ет произойти закисление почв .

Н а промеж уточных стадиях р азл о ж ен и я гумуса появляются но­ вые поверхности обмена. При условии, что они не зан яты катионами оснований, они п редставляю т резерв ионов Н +, которые могут обмени­ ваться на другие катионы, д ви ж ущ иеся сквозь почву .

3.5.8. В ы в е т р и в а н и е

В ыветривание большинства минералов сопровождается поглощением ионов Н+ (исключением яв л яется к в а р ц ). Ионы Н + в растворе з а м е ­ щ аю тся другим и катионами, таким и к а к Са2*, M g 2*, N a+ и К+. Очень важ н ы м фактором выветривания яв л яется угольная кислота.

Так, по приведенному ниже уравнению м ож ет произойти полное растворение кальцита:

СаСОз + Н 2СО3 Са2+ + 2HCOi“ (Н 2СО* означает сумму гидратированного и негидратированного р ас­ творенного С 0 2.) И сследовани я химического состава речных вод в районе ХуббардБ р у к [55] показы ваю т, что фактически ней трали зац ия поступающих кислот происходит в д в а этапа. В н а ч а л е ионы водорода н ейтрализу­ ются в процессе растворения соединений алюминия, присутствующих в почве. Н а втором этапе н ей тр ал и зац ия осущ ествляется в результате вы ветривания силикатны х материалов, заклю ченных в коренных поро­ д ах и валунной глине .

К а к ука зы в ае т ся в [4], выветривание пород способно н ей тр ал и зо­ вать значительное количество кислот, поступающих с атмосферными осадками. Б у д ет ли происходить н ей трал и зац ия в действительности или нет, зависит от ко н так та воды и в ы ветри ваем ы х минералов. В упо­ мянутой работе [4] отмечается, что повы ш енная кислотность породо­ растворяю щ их вод могла бы в ы зв ать увеличение скорости вы в етр и в а­ ния. Н асколько существен этот фактор в бассейне, в который при­ носятся кислые атмосферные осадки, неизвестно .

3.5.9. М и г р а ц и я м ет аллов

Ещ е один эф ф ект кислотных выпадений или повышенного закисления почв зак л ю ч ается в увеличении растворимости металлов в почвенном фильтрате. Увеличение концентрации А1, Мп и Zn в почвенной воде мож ет н аб лю д аться в отсутствие повышенных поступлений металлов из атмосферы. Высокие их концентрации объясняю тся усилением р а с ­ творения при низких pH .

В ы щ елачиваясь, к а к правило, из верхнего горизонта подзолистых почв, А! обычно депонируется в нижних горизонтах. П од действием сильных кислот в вы п аден и ях алюминий м ож ет становиться п о д в и ж ­ ным и переноситься насыщенным потоком сквозь поверхностные слои, попадать в озера и реки. В некоторы х бассейнах концентрации алю м и ­ ния в речной воде явно находятся в равновесии с более или менее совершенным минералом гиббситом .

Алюминий, видимо, имеет ключевое значение д л я объяснения влияния зак исл ен ия на водные организмы (см, разд ел ы ЗЛО и 3.11) .

В силу химических свойств алю миния проявления его токсичности сложны. П омимо свободных ионов Al3*, нужно р ассм атр и в ать ком­ плексы с О Н ", F ” органическими л иганд ам и и иногда с S O 2' .

3.5.1 0. Г и д р о л о г и ч е с к и е ф а к т о р ы

Больш инство упомянуты х процессов происходит в динамичной гидро­ логической системе. Э та система д ал ек о неоднородна, и вода, д в и ж у ­ щ а я с я сквозь почвы, в л ияет на скорость различны х осмотических, к а ­ п иллярны х и гравитационны х процессов. Вода мож ет проходить часть пути по поверхности зем ли или н акап л и в ать ся иа отдельных участках почвенного профиля, в р езультате чего будет уменьш аться в о зм о ж ­ ность ее взаимодействия с почвой (смм например, [90, 91]). И з этого ясно, что д л я познания механизмов закислен ия необходимо в п одроб­ ностях знать гидрологические условия бассейна. Л ю б а я гидрологиче­ ская модель д о л ж н а не только воспроизводить суммарный расход, ио и д етально описывать движ ение воды в бассейне (см. р азд ел 3.7 об имитационных м од ел ях) .

3.6. Сезонные изменения кислотности и талый сток Кислотность речных и озерных вод меняется на протяжении года .

Эти изменения особенно зам етны в небольших водотоках, но нередко отмечаю тся т а к ж е в озерах и крупных реках. Согласно наблюдений, максимумы кислотности обычно совпадаю т с максимумом расхода воды. В эти периоды больш ая часть воды мож ет пройти только сквозь верхние слои почвы. Д ости гая озер и рек, она не успевает проникнуть в более глубокие слои, которые обычно имеют повышенную н ей трали ­ зующую способность [82] .

П ри выпадении сильных дож дей после засуш ливого лета в воде н аблю даю тся особенно высокие концентрации Н+ (низкие значения Рис. 3.7. Сезонные изменения pH (а) и расхода воды (б) в небольшом ручье на юге Норвегии, 1980 г. [89] .

p H ). Этот вопрос рассм атривается т а к ж е в разделе 3.7 об имитацион­ ных моделях. В целом, период снеготаяния тож е яв л яе тся критическим [7, 34, 38, 51, 71, 92]. При этом довольно типичными оказы ваю тся из­ менения pH, отмечавш иеся в 1980 г. в небольшом притоке оз. Л ан гтерн на юге Норвегии (рис. 3.7) .

Н а рис. 3.8 показано уменьшение щелочности при увеличении стока во время снеготаяния. При больших расходах щелочность в о б ы ч н о б о г а т ы х известью горных потоках Ш веции уменьш ается от значений 0,5 моль/л и выше почти до нуля. Если снег чистый (к ак в 1980 г., когда pH б ы л о выш е 5), то в обоих ручьях pH остается выше 6. В 1979 г. снег был более кислым (pH = 4,4) и в ручье Ситербёкен при максимуме расхода в нач ал е июня отмечалось pH, р а в ­ ное 4,85 .

К а к у ка зы в ал о с ь в р азд е л а х о процессах, концентрация н итрата в стоке обычно ниже, чем в атмосферных осадках. О днако во время снеготаяния она мож ет зам етно повышаться, что показано на рис. 3.9 на примере изменения концентраций весной 1979 г. в двух озерах, р а с ­ положенных в горах А ди рондак [36]. П о мнению авторов указанной работы, источником нитрата был снежный покров. Такой вывод под­ ммоль/л

–  –  –

т в ерж д ае тся р езул ь татам и наблю дений [34] во врем я снеготаяния в три других года (1978, 1980 и 1981 гг.). Отмечавш иеся повышенные концентрации нитрата объясняю тся не только непродолжительностью контакта, но и тем, что растения в период снеготаяния еще не про­ будились .

Хотя контакт м еж ду водой и слоями почвы, особенно с теми, кото­ рые о б л а д а ю т повышенной нейтрализую щ ей способностью, явл яется в период снеготаяния, по-видимому, более кратковременны м, чем в лю бы е другие периоды, в к л а д подземных вод в сток по-прежнему мож ет иметь доминирую щ ее значение. С целью выделения в речном стоке в к л а д а от подземных (или, скорее, просто старой воды, накопив­ шейся на водосборе) и пресных тал ы х вод проводились измерения со­ д ерж ан и я ки сл о р о д а-18 в атмосферных осадк ах и речной воде. Д л я двух лесных бассейнов на юге Ш веции при этом был установлен боль­ шой в к л а д подземных вод — примерно 70 и 9 0 % в течение двух пе­ риодов снеготаяния в 1979 г. [81]. О бъем тал ы х вод в ручьях соответ­ ствовал количеству воды от таяни я снега и выпадения осадков лиш ь на 10— 15 % площ ади бассейнов. В семи других случаях наблюдений в Ш веции доля подземных вод со с тав л ял а 44—80 % стока за период снеготаяния (личное сообщение A. R ohde) .

Д ополнительны е данные, п о дтверж даю щ и е значительное в заи м о ­ действие м еж ду почвой и водой во врем я снеготаяния, получены в ис­ следованиях на двух микробассейнах (231 м2 и примерно 1300 м2), з а ­ нятых о бнаж ениям и коренных пород или покрытых тонким слоем кис­ лой почвы. Н а снег н аб ры зги вал ся радиоактивны й кальций (45С а ), 80— 90 % которого за время снеготаяния было поглощено почвой и р а с ­ тительностью [23, 24] .

Помимо гидрологического реж им а, на гидрохимический состав стока во врем я снеготаяния влияет т а к ж е «эффект ф ракци он ир ова­ ния». Когда снег тает, больш ая часть ионных примесей оказы вается в первых порциях талой воды, в которых нередко могут отмечаться в 3— 5 раз более высокие концентрации ионов, чем в основной массе снега [52] .

3.7. М оделирование изменений химического состава речных вод

В последнее врем я усилился интерес к моделированию изменений хи­ мического состава почвенных фильтратов [11, 18, 79] и речных вод [13, 14, 17, 19, 20, 83]. В перечисленных раб о тах ясно п о казан а роль гидрологического реж им а. Н а всех моделях здесь остановиться невоз­ можно и мы рассмотрим лишь модели, п редлож енны е Христоферсеном и соавторами. Н есмотря на всю простоту их модели, она довольно х о ­ рошо воспроизводит изменения концентраций основных ионов в речных водах. П ока моделирование было проведено д л я двух небольших рек Биркенес и С торгам а на крайнем юге Норвегии .

Б ассейн р. Биркенес имеет площ адь 0,4 км2 и расположен на вы ­ соте 200— 300 м над ур. м. Бассейн покрыт хвойным лесом из разны х пород и примерно на половине его площ ади почвенный слой имеет мощность менее 20 см. Коренные породы — граниты. Бассейн нахо­ дится в зоне максимального выпадения кислых осадков с общей го­ довой нагрузкой примерно 2,3 г/м2. Гидрохимические наблю дения ве­ дутся с 1972 г. Н а ч и н а я с 1979 г., имеются непрерывные ряды н аб л ю ­ дений количества осадков и расходов воды и частые (обычно ежедневные) наблю дения концентраций ионов в атмосферных осадках и речной воде [17, 19] .

Б ассейн р. С торгам а площ адью 0,6 км 2 располож ен на гранитных коренных породах. Он находится на юге Норвегии примерно в 30 км д ал ьш е от побережья, чем бассейн р. Биркенес, на высоте 600— 700 м и получает приблизительно вдвое меньше кислых осаждений. Примерно 50 % площ ади зан я то коренными породами с разорван н ы м поч­ венным покровом и около 20 % преимущественно голыми скалами. О с­ тал ь н ая часть бассейна з а н я т а торф яникам и и небольшими озерцами .

И з древесны х пород здесь встречаются сосна, ель и б ереза [9]. Д л я р. С торгам а имеются, к а к правило, еж енедельны е дан ны е о расходах за период 1975— 1978 гг. и 1980 г. и отдельные наблю дения за 1974 и 1979 гг. Чтобы получить р яд ы д анны х об оса д к ах з а те ж е годы, пришлось объединить резу л ьтаты наблю дений на трех станциях .

Д л я р азрабо тк и модели полезны т а к ж е дан ны е по химии почв (например, насыщенность о снованиям и). О днако собрать достаточное количество д анны х этого типа д л я целого бассейна трудно, и Христоферсен с соавторами использовали лиш ь отдельные разрозненные н а б ­ людения, имевшиеся в их распоряж ении .

П о л н ая модель изменений гидрохимического состава речных вод вклю чает три блока:

1) гидрология;

2) концентрации сульфат-ионов;

3) концентрации катионов .

–  –  –

Этот блок пред ставляет собой модель, разработанн ую Л ундквистом [62] и видоизмененную Христоферсеном и соавторами. Он состоит просто из серии резервуаров. Н апри м ер, д л я бассейна р. С торгама прим енялась модель, п о к аза н н ая на рис. 3.10. Р асх о д воды, исключая 8 Заказ A's 256 113 снеговой резервуар ( 5 ), принимался пропорциональным ( Я — Я т1п), где Я — наполнение резер ву ар а. М одель д ля р. Биркенес еще проще и вклю чает лиш ь резервуары Л и В, поскольку рассм а т р и в ал ас ь только теп л ая половина года и в точке отбора проб не было водоема смеш е­ ния. П рактически, сток из верхнего р езе р ву а р а (Л) уходит н езам ед ли ­ тельно и можно считать, что вода контактирует только с верхними почвенными горизонтами. Нижний резервуар ( В ) обеспечивает б ази с­ ный сток. Э вапотранспирация рассчиты вается по среднесуточным тем ­ пературам. Эта простая модель воспроизводит объем стока на суточной основе, причем входными данны ми с л у ж а т среднесуточные тем п е р а­ туры и количества осадков .

–  –  –



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |


Похожие работы:

«ESET MAILSECURITY ДЛЯ MICROSOFT EXCHANGESERVER Инструкция по установке и руководство пользователя Microsoft® Windows® Server 2000 / 2003 / 2008 / 2008 R2 Щелкните здесь, чтобы загрузить актуальную версию этого документа ESET MAIL SECURITY ©ESET, spo...»

«Оборудуем топливный участок дизельной аппаратуры Часть3 Требования к стендам для тестирования насосов высокого давления типа VE-MV (VP30) и VR (VP44) Данный тип относиться к насосам высокого давления с управлением электромагнитным клапаном. VE-MV имеет аксиальное движение плунжера, VR радиальное. Несмотря на появление системы Common Ra...»

«Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" Международныйфорум "Интеллектуальные системы 4-й промышленной революции" ПРОГРАММА ФОРУМА 21-23 ноября 2018 года г. Том...»

«СИРОТКИНА АЛЕКСАНДРА ЛЬВОВНА КРИЗИС КИПЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕМЕНТАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2017 Работа выполнена в федерально...»

«005014240 МЕДЯНКИНА ИРИНА ПЕТРОВНА ПРИНЦИПЫ и МЕТОДЫ ИНФОРМАЦИОННО-БИБЛИОТЕЧНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА В СИСТЕМЕ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ Специальность 05.25.05 информационные системы и процессы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата тех...»

«УДК 528.44 К ВОПРОСУ О КАДАСТРОВЫХ РАБОТАХ В ОТНОШЕНИИ РАНЕЕ УЧТЕННЫХ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ Аврунев Евгений Ильич Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры кадастра и территориального...»

«КГБПОУ "Тальменский технологический техникум" Форма по 0301019 ОКУД р.п. Тальменка Алтайского края по ОКПО 02503573 Номер Дата документа ПРИКАЗ 45-к 15.08.2018г. "О зачислении"1. На основании решения приемнойкомиссии КГБПОУ "ТТТ" (протокол №1 от 15.08.2018г.) зачислить с 01 сентября 2018 года на 1-й курс на базе основно...»

«МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) Н.Е. СУРКОВА, В.М. ГУРЬЯНОВ РУКОВОДСТВО ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СТАНДАРТОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СЛОЖНЫХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Школа...»

«Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского отделения Российской академии наук The State Public Scientific Technological Library...»

«ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР Mass investigations of trace elements in coal deposits and basins on all continents conducted over the past few decades have shown that coals are concentrators of many valuable metals, including rare and dispersed ones. Scandium is of interest as an element, almost havi...»

«А.А. БОРОВОЙ, Е.П. ВЕЛИХОВ ОПЫТ ЧЕРНОБЫЛЯ ЧАСТЬ 1 Москва, 2012 УДК 621.039.586 Корректор: В.В. Зубкова Дизайн и верстка: Е.Р . Осьмакова А.А. Боровой, Е.П. Велихов. Опыт Чернобыля (работы на объекте "Укрытие"). Часть 1. М.: НИЦ "Курчатовский институт", 2012, 16...»

«№ 4 (13)’ 2018 Декабрь СОФИЯПОЛИС Электронный научный журнал гуманитарных исследований Редакционный совет Арапова Э.Б. – кандидат философских наук, доцент Академии государственного управления при Президенте Кыргызской Республики Бернюкевич Т.В. – доктор философских наук, доцент кафедры истории и филосо...»

«Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №4(5), 2012 УДК 621.3.002 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МОДЕЛИ СУММИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ ДИСКОВ ТУРБИН © 2012 А.А. Иноземцев1, М.Ш. Нихамкин2, А.В. Ильиных2, А.М. Ратчиев1 ОАО "Ав...»

«К. М. Табаринцева-Романова, О. Ю. Пашкевич. Хеджинг в политическом дискурсе 93 4. Садовничий В. А. Выступление на съезде Российского союза ректоров 30.10.2014 года, Москва // Официальные сетевые ресурсы Президента России. URL: http://www.kremlin.ru/ news/46892 (дата обращения: 10.05.2017).5. Супян В. Б. Исследовательские университеты США: меха...»

«ПАРФЕНОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ НАГРЕВА ЭЛЕМЕНТОВ КРАНОВЫХ УЗЛОВ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ГАЗОМ УЧАСТКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени к...»

«ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА № 369 Апрель 2013 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ АБРАМОВА Анастасия Анатольевна – преподаватель кафедры лингвистики и переводоведения, аспирант кафедры русского языка и литературы Томского политехнического университета. E-mail: neanastasiya@yandex.ru АНТИПОВ Алекс...»

«РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ UE49NU8000U UE55NU8000U UE65NU8000U UE75NU8000U UE82NU8000U Благодарим за приобретение изделия компании Samsung. Для наилучшего обслуживания зарегистрируйте свое устройство по адресу: www.samsun...»

«DAILY ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ АВТОМОБИЛЯ ГРУЗОВИКИ ЛЕГКИЕ IVECO Автомобиль Iveco похож на своего во Если возникнут проблемы, лучший путь Автомобиль Iveco — это удачный выбор, дителя: это тщатель...»

«ОТРАСЛЕВОЙ СТАНДАРТ Ш ГА Э Е Т И Е К ЙВ У Р Н И Т Д ЛКР Ч С И НТ Е Н Й Э Е Т О Е Н Ч С И ИД Л Й Л КР Т Х И Е К Х З Е И Ойгае технически требовали 0CTI6 0.684.032-92 Изнанке о&шпх&ное болеро связанные ЛВВРЗД/D U ТехютвааЯ директор АО п^идяртатяфо* 1992 Г" **+ •" ЛЮТ Л'ШУД НШ Д О 16 0.604.032-92 СТ ЦСВГАЖ ЗЯЗШМЧВСИЙ В Я П...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ С ОЮЗ А ССР РЕАКТИВЫ. КОБАЛЬТ (II) УГЛЕКИСЛЫЙ ОСНОВНОЙ ВОДНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОСТ 5 4 0 7 -7 8 Издание официальное ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ Москва оценка жилого дома РАЗРАБОТАН Министерством химической промышленности ИСПОЛНИТЕЛИ...»

«Масло для промывки двигателей автомобилей РПБ № 84035624.19.47952 стр. 3 G-Energy Flushing Oil по СТО 84035624-038-2011 Действителен до 28.08.2022 г. из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической продукции 1.1.1 Техническое наи...»

«1 Договор поставки № г. Екатеринбург 2016г. " ''/& " Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие "Екатеринбургский метрополитен", именуемый в дальнейшем "Покупатель", в лице директора Шафрая В.В., действую...»

«Готовцев Андрей Михайлович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ ПАРА В ВЫХЛОПНЫХ П А Т Р У Б К А Х И ВЬШОСНЫХ Р Е Г У Л И Р У Ю Щ И Х КЛАПАНАХ П А Р О В Ы Х ТУРБИН Специальность 05.04.12 Турбомашины и комбинированные ту...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.