К 60-летию осадкомерного полигона в Валдайском филиале Государственного гидрологического института

 Цель создания осадкомерного полигона

В 2023 году исполняется 90 лет Валдайскому филиалу Государственного гидрологического института и 60 лет осадкомерному полигону, созданному на территории филиала.

О создании центров экспериментальных исследований, рассчитанных на многие годы, говорили учёные ещё в 60-х годах прошлого столетья [4, 32]. Такой центр был основан в Валдае в 1933 году и назван Валдайской научной исследовательской лабораторией (ВНИГЛ) Государственного гидрологического института (ГГИ), ныне Валдайский филиал ФГБУ «ГГИ» (ВФ ГГИ).  Программа полевых экспериментальных гидрологических исследований ВНИГЛ основывалась на основных трех положениях, изложенных в монографии «Валериан Андреевич Урываев. Жизнь, отданная науке о воде» [3]:

1. Изучение формирования гидрологического режима должно быть комплексным и организовано таким образом, чтобы в процессе этих работ по возможности производилось измерение всех или большинства составляющих водного баланса одновременно с изучением факторов, их определяющих. В связи с этим необходимо одновременно развивать изучение стока, осадков, испарения с почвы и воды, транспирации растений, режима грунтовых вод, влагооборота в почвогрунтах.

2. Для количественной оценки влияния отдельных факторов на изменение элементов водного режима должна быть возможность сравнивать результаты наблюдений, полученные на объектах, различающихся по какому-либо одному признаку (например, по степени залесённости или распаханности) при прочих равных условиях.

3. Непременным условием является создание долговременных, надежных в работе установок, снабженных новейшей аппаратурой, для получения в течение длительного времени надежных, сравнимых между собой данных.

На протяжении 90 лет на экспериментальных площадках ВФ ГГИ проводятся наблюдения и исследования элементов водного баланса, одним из которых являются атмосферные осадки. Атмосферные осадки являются основным источником формирования водных ресурсов территорий, и поэтому оценка точности их определения имеет важное значение при проведении как научных исследований, так и при решении водохозяйственных задач.

В первой половине ХХ века на осадкомерной сети бывшего СССР для измерения количества выпавших осадков использовался дождемер с защитой Нифера. Однако, было установлено, что данные измерений этим прибором ввиду его конструктивных особенностей не отражают фактического количества осадков, выпавших вблизи этого дождемера. В середине ХХ столетия в научной литературе [2, 3, 4, 6, 7, 22-25, 32] неоднократно отмечалось, что точность существующей методики учёта осадков не соответствует возросшим требованиям науки и народного хозяйства, поэтому необходимо ее совершенствование. Вначале 1950-х годов на осадкомерной сети бывшего СССР была произведена замена дождемера с защитой Нифера на осадкомер конструкции Третьякова О-1. Многочисленные полевые испытания осадкомера Третьякова показали, что этот прибор улавливает выпадающие твердые и смешанные осадки существенно лучше, чем дождемер. Тем не менее, необходима была более точная оценка величины выявленных погрешностей измерений осадков, связанных с влиянием ветра на улавливание осадков, испарением осадков, попавших в осадкомер, прилипанием осадков к стенкам осадкосборника. Для этого требовалось научно обосновать и создать эталонную осадкомерную систему, измеряющую количество выпавших осадков с требуемой точностью, относительно которой можно было бы оценивать погрешности измерений осадков другими средствами измерений.  Помимо этого, для уменьшения величины систематических погрешностей измерений требовалась разработка методики корректировки значений осадков, измеренных не эталонными средствами измерений. Эти задачи могли быть решены только на основании многолетних полевых исследований.

В связи с этим, в 1963 году, по инициативе директора ГГИ Урываева В.А. (1908-1968)], наряду с другими исследовательскими площадками, во ВНИГЛ был создан осадкомерный полигон (рисунки 1, 2), который предназначался для выполнения полевых испытаний методов измерения атмосферных осадков с целью оценки погрешностей получаемых результатов измерений и усовершенствования на этой основе методики наблюдений за осадками на сети стоковых и гидрометеорологических станций [31,34].

 

    Рисунок 1 – Вид луговой площадки осадкомерного полигона с берега Валдайского озера (1963-1964 гг.) [28]

 

 Рисунок 2 - Вход на кустраниковую площадку осадкомерного полигона (зима 1963-1964 гг.) [28]

Общее количество приборов, которыми проводились наблюдения на осадкомерном полигоне на протяжении периода его существования насчитывает более 100 единиц. Помимо осадкомера Третьякова и дождемера Нифера, являющихся стандартными осадкомерами России, на полигоне выполнялись наблюдения по осадкомерам, применяемым в Венгрии, Германии, Польши, Финляндии, Франции, Канады, США. На полигоне также испытывались изготовленные по эскизам в экспериментальных мастерских ГГИ наземный дождемер университета г. Упсала (Швеция) и секционный дождемер (Китай).

Уникальность осадкомерного полигона

Особенностью осадкомерного полигона является то, что он состоит из двух площадок для измерений осадков - луговой площадки, открытой ветрам всех направлений, и кустарниковой, защищенной от большого влияния ветра массивом кустарника (рисунки 3, 4). Чтобы массив кустарника не оказывал существенного влияния на улавливание осадков осадкомерами на открытой площадке, кустарниковая площадка находится на некотором отдалении от луговой. Поскольку результаты измерения осадков на кустарниковой площадке имеют наименьшую погрешность, а результаты измерений на луговой площадке – наибольшую, то, сравнением количества осадков, уловленных осадкомерами на открытой площадке, с количеством осадков, измеренных по осадкомерам на защищённой (кустарниковой) площадке, определяют погрешность улавливания осадков различными осадкомерами, которая может варьировать в широком диапазоне, в зависимости от природных условий, в которых установлены осадкомеры.

Рисунок 3 – Спутниковый снимок луговой и кустарниковой площадок осадкомерного полигона [42](границы кустарниковой площадки выделены пунктирным контуром; белой стрелкой указано место водноиспарительной площадки)

Рисунок 4 – Луговая площадка осадкомерного полигона ВФ ГГИ (Автор фото – Решетников Ф.Ю., 2022 г.)

Особая уникальность осадкомерного полигона в ВФ ГГИ заключается в том, что на нём находятся четыре эталонные установки для измерений. Три из них - это осадкомерные установки, рекомендованные Всемирной метеорологической организацией (ВМО):

1)первичный эталон (Валдайская контрольная система) (рисунок 5);

Рисунок 5 – Фрагмент Валдайской контрольной системы (первичного эталона измерений осадков) на кустарниковой площадке осадкомерного полигона ВФ ГГИ (Автор фото – Решетников Ф.Ю., 2022 г.)

2)вторичный международный эталон (осадкомер Третьякова в двойной заборной защите) для измерений всех видов осадков (рисунок 6);

Рисунок 6 – Осадкомерная система DFIR (международный вторичный эталон измерений осадков) на осадкомерном полигоне (Автор фото – Решетников Ф.Ю., 2022 г.)

3)эталон для измерений жидких осадков (ямочный дождемер).

Четвертая эталонная установка - это испарительный бассейн с площадью водного зеркала 20м2, который получил признание ВМО в качестве международного эталона для определения испарения с водной поверхности (рисунок 7).

Рисунок 7 – Водноиспарительная площадка на луговой площадке осадкомерного полигона (справа – эталонный испарительный бассейн площадью 20 м2, в центре – американский испаритель класса А,слева – испаритель ГГИ-3000 с высокоточным датчиком уровня воды фирмы Temposonics) (Автор фото – Решетников Ф.Ю., 2022 г.)

Краткая история исследований по повышению точности измерений осадков

В первые годы измерений на осадкомерном полигоне выполнялась оценка различий в показаниях осадкомеров. Для этого часть однотипных приборов была размещена на разной высоте над поверхностью земли, а часть различающихся типов приборов была установлена на одинаковой высоте [8]. Приборы испытывались на луговой площадке, открытой для ветров всех направлений. Затем приоритеты исследований были смещены в сторону разработки эталонных методов измерения осадков и оценки систематических погрешностей различной физической природы, таких как смачивание, испарение и воздействие ветра [9, 10, 15]. Для этого была оборудована другая площадка (кустарниковая), где приборы от воздействия ветра были хорошо защищены. После накопления необходимых экспериментальных данных приступили к разработке методов корректировки результатов измерения осадков, полученных сетевыми средствами измерений [12, 13].

            Измерения осадков на осадкомерном полигоне проводились не только для собственных научных исследований, но и в рамках международных научных программ. Так, в период с ноября 1972 г. по апрель 1975 г., по просьбе Управления водного хозяйства Финляндии, проводились испытания национальных дождемеров этой страны. В период с 1963 по 2015 гг. на полигоне был выполнен большой комплекс экспериментальных исследований с целью  реализации четырёх международных программ под эгидой ВМО [38 - 40]. Работа состояла во взаимосравнении величин осадков, измеренных осадкомерами разных конструкций, и определении точности их измерений.

В период реализации первой программы (1963 - 1970 гг.) сравнивались месячные суммы осадков по осадкомеру Третьякова, дождемеру с защитой Нифера и плювиографу П-2 с месячными суммами осадков, полученными по промежуточному (временному) эталону ВМО (Intermediate Reference Precipitation Gauge (IRPG)). При разработке IRPG за основу была взята конструкция английского дождемера Mk 2 [36] и ветровая защита Алтера, улучшенная в соответствии с рекомендациями Warnick C.C. [37, 33]. Позже выяснилось, что этот прибор не мог служить эталоном, так как результаты измерений по нему содержали такие же погрешности, как и результаты измерений по национальным приборам (таблица 1).

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

В 1988 году на осадкомерном полигоне были организованы наблюдения в рамках третьей международной программы ВМО (1986 – 1994 гг.) по взаимосравнению измерений твёрдых осадков [38], измеренных стандартными неавтоматическими осадкомерами. Две российские осадкомерные системы - Валдайская контрольная система и система с осадкомером Третьякова в двойной заборной защите - были назначены ВМО в качестве эталонных.

Во время четвёртой международной программы под названием “Эксперимент ВМО по взаимосравнению твёрдых осадков (SPICE) (2012-2015)” внимание было сосредоточено на измерениях твёрдых осадков с использованием автоматических осадкомеров [40]. Для взаимосравнений измерений в качестве эталонных систем предлагались следующие: две российские осадкомерные системы, назначенные в предыдущей программе по взаимосравнению измерений твердых осадков в качестве эталонных, автоматический осадкомер с защитой Алтера в двойной заборной защите и система двойного осадкомера (один осадкомер без ветровой защиты, второй – с защитой Алтера). В эти системы предлагалось устанавливать автоматические осадкомеры Geonor или Pluvio. По этой программе ВМО, на осадкомерном полигоне для измерений осадков использовались, помимо двух российских эталонных осадкомерных систем, автоматические осадкомеры Pluvio-200 и Pluvio-400 немецкой фирмы ОТТ. Осадкомер Pluvio-200 был установлен в двойную заборную защиту на луговой площадке осадкомерного полигона.

Измерительные системы на осадкомерном полигоне

После проведенных международных этапов взаимосравнений значений осадков, измеренных разными приборами, ВМО рекомендовала всем странам продолжить экспериментальные наблюдения за осадками на национальных и региональных полигонах с целью реализации единой, согласованной на международном уровне, базовой программы измерений осадков в широком диапазоне природных условий [39, 40]. На таких полигонах должны эксплуатироваться все осадкомерные системы, рекомендованные ВМО в качестве эталонных, стандартные национальные осадкомерные приборы (прошлые и настоящие) и новые перспективные осадкомерные системы.

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

База данных наблюдений

За 60 лет существования осадкомерного полигона было проведено много исследований, накоплено большое количество данных. Результаты измерений осадков на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ с сопутствующей метеоинформацией, полученные за все годы его существования, хранятся в архиве ВФ ГГИ. Часть материалов наблюдений была опубликована в ежегодниках [26] с 1964 по 1987 годы. Впоследствии данные с 1964 до 2021 годы были занесены в электронную базу данных, которая находится в ФГБУ «ГГИ» (официально зарегистрирована в 2023 году) и доступна для исследователей.

Основные достижения многолетних исследований

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

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

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

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

Наиболее значимые результаты

1. После рассмотрения Организационным комитетом ВМО средств измерения осадков, используемых в мире [38, 39], первичным эталоном измерения осадков была признана   Валдайская контрольная система (ВКС) [11, 16, 19, 39], состоящая из осадкомеров Третьякова (от одного до трёх) в кустарниковой защите (Tretyakov in bush shield). Данные по ВКС не содержат значимых систематических погрешностей, а случайная погрешность её измерений остаётся ниже, чем случайные погрешности измерений по другим осадкомерам (таблицы 1, 2), даже после корректировки их результатов [20, 29, 30].

2. Поскольку составной частью ВКС является массив густого кустарника (рисунок 5), она не может быть установлена во всех климатических зонах. Поэтому в качестве универсального международного (вторичного) эталона для измерения всех видов осадков Организационным комитетом ВМО была назначена другая осадкомерная система - осадкомер Третьякова в двойной заборной защите (Double Fence Intercomparison Reference - DFIR). Эта система была разработана в процессе многолетних исследований [5, 8, 14, 15, 16], при которых были испытаны ветровые защиты разных конструкций: сплошная защита, планочные защиты (металлическая, наклонная, деревянные одиночные и двойные заборные защиты разных размеров). При испытаниях значения осадков, полученные по осадкомерам в этих защитах, сравнивались со значениями осадков по ВКС. Был выбран самый лучший вариант с наименьшими погрешностями измерений, в последствии названный - система DFIR (рисунок 6). Погрешности результатов измерений по DFIR значительно меньше, чем по другим средствам измерения осадков, используемым в разных странах до настоящего времени (таблицы 1, 2). Осадкомерная система DFIR с установленной точностью измерений может использоваться в качестве вторичного эталона только в том случае, если при установке DFIR строго соблюдаются утверждённые размеры этой конструкции, установленные в результате исследований [5, 39].

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

 

3. Одной из важных особенностей осадкомерного полигона в ВФ ГГИ является то, что он - единственный в мире первичный эталон (ВКС) для измерения количества выпавших осадков, имеющий установленные метрологические характеристики [29, 30], что даёт возможность оценивать точность измерений других осадкомерных систем. Во время третьей программы ВМО по взаимосравнению измерений осадков, относительно первичного эталона были определены погрешности результатов измерений осадков осадкомерами и осадкомерными системами, установленными на полигоне. Средние погрешности месячных и полусуточных сумм твёрдых осадков, измеренных  международным вторичным эталоном (DFIR), временным эталоном ВМО (IRPG), стандартными осадкомерами России (осадкомером Третьякова и дождемером с защитой Нифера), а также стандартными осадкомерами Германии, Польши, Венгрии, Канады и США [16-20, 39] представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Средние погрешности месячных и полусуточных сумм твёрдых осадков

 

Название средств измерений	Страна-изготовитель	Погрешности (относительно ВКС)
		систематическая Q, %	случайная δ, %
Месячные суммы
Валдайская контрольная система (Tretyakov in bush shield)	СССР	0	2
Эталон взаимосравнений ВМО (DFIR)	СССР	-5	10
Осадкомер Третьякова	СССР	-35	20
Дождемер с защитой Нифера	СССР	-40	25
Временный эталон ВМО (IRPG)	Англия	-45	25
Осадкомер Гельмана	Германия	-55	30
Осадкомер Гельмана	Польша	-55	30
Осадкомер Гельмана	Венгрия	-60	35
Снегомерная система с защитой Нифера (NSSGS)	Канада	-20	-
Осадкомер бюро погоды в защите Алтера (USWB8"sh)	США	-35	-
Осадкомер бюро погоды без защиты Алтера (USWB8")	США	-60	-
Полусуточные значения
Валдайская контрольная система (Tretyakov in bush shield)	СССР	0	5
Эталон взаимосравнений ВМО (DFIR)	СССР	-10	25
Осадкомер Третьякова	СССР	-40	55
Временный эталон ВМО (IRPG)	Англия	-50	50
Дождемер с защитой Нифера	СССР	-60	55
Осадкомер Гельмана	Германия	-70	60

4. Поскольку данные по осадкам имеют значительные систематические погрешности, которые необходимо учитывать, ещё одной важной научной задачей, решение которой напрямую было связано с результатами экспериментальных наблюдений на осадкомерном полигоне, была разработка методики корректировки измеренных значений осадков. По результатам рассмотрений Организационным комитетом ВМО всех имеющихся в мире методик корректировки значений осадков [12, 17, 20, 39], наиболее эффективной оказалась методика, разработанная ведущим научным сотрудником ГГИ В.С. Голубевым [12, 20]. Некоторые результаты применения этой методики представлены в таблице 2.Таблица 2 – Средние погрешности значений твёрдых осадков, откорректированных по методике В.С. Голубева

 

 

Название прибора	Страна-изготовитель	Погрешности (относительно ВКС)
		систематическая Q, %	случайная δ, %
Месячные значения
Эталон взаимосравнений ВМО (DFIR)	СССР	-2	6
Осадкомер Третьякова	СССР	-2	10
Дождемер Нифера	СССР	-4	15
Полусуточные значения
Эталон взаимосравнений ВМО (DFIR)	СССР	-2	20
Осадкомер Третьякова	СССР	-4	50

Исследования на полигоне с целью повышения точности определения количества выпавших осадков необходимы не только для гидрологов (для задач, связанных с водным балансом), но и для метеорологов, поскольку международные эталонные осадкомерные системы находятся в России только на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ. Благодаря результатам исследований на осадкомерном полигоне ВФ ГГИ, методика В.С.Голубева стала основой новой модели корректировки значений осадков [1], учитывающей все выявленные систематические погрешности измерений осадков (смачивание осадкосборного сосуда, испарение, конденсат, воздействие ветра, ложные осадки). Эта модель была разработана совместными усилиями сотрудников ГГИ и Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО) и реализована в виде компьютерной программы для расчёта действительных значений осадков, измеренных осадкомером Третьякова в срок наблюдений [27] на гидрометеорологических станциях Росгидромета.

                                                                                        Перспективы развития исследований на осадкомерном полигоне

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

Измерения осадков

Увеличение точности измерений осадков в точке измерений с целью достижения требуемой точности – это подготовка для следующего этапа развития исследований - этапа оценки точности измерений слоя выпавших осадков на определенную территорию пространственными методами измерений [21], поскольку чтобы оценить погрешность применения пространственного метода и рациональность его использования, результаты измерений по нему необходимо сравнить с результатами измерений, полученными по такому методу измерений, который имеет достоверную, исследованную и подтверждённую требуемую точность измерений. Пока таким простым и надёжным является метод точечных наземных измерений осадков.

Требуемая точность определения слоя выпавших осадков на некоторую территорию с использованием метода наземных измерений (осадкомерами) может быть достигнута уменьшением систематической и случайной погрешности результатов измерений осадков в точке наблюдений на следующем этапе исследований посредством:

- усовершенствования измерительных систем (особенно, эталонных - ВКС и DFIR);

- усовершенствования методики оценки погрешностей измерений (например, более правильным выбором данных);

- усовершенствования методики корректировки данных для исключения систематических погрешностей результатов автоматизированных измерений;

 - разработки методики наблюдений для определения действительного слоя осадков, выпавших на определённую территорию (например, использование для измерений нескольких осадкомерных систем, установленных на рассматриваемой территории).

Таким образом, основными задачами экспериментальных исследований на Валдайском осадкомерном полигоне в ближайшей перспективе являются следующие.

1) Усовершенствование измерительных систем

а) ВКС имеет пренебрежительно малую систематическую погрешность, если измерения осадков проводятся по весовому осадкомеру (т.е. не требуются поправки на смачивание стенок осадкосборного сосуда) и с добавлением минерального масла летом (т.е. не требуются поправки на испарение осадков из осадкосборника), как было до 1987 года. Сейчас в состав ВКС входят не весовые осадкомеры Третьякова, и поэтому при расчётах в значения осадков требуется вводить поправки. С целью увеличения точности измерений целесообразно переоснастить ВКС весовыми осадкомерами (для исключения поправок на смачивание и испарение), разместив их на кустарниковой площадке в испытанных специальных заборных защитах [19]. После этого, необходимы дополнительные исследования для определения точностных характеристик модернизированной ВКС.  Комплекс модернизированной ВКС, оснащённой весовыми автоматическими осадкомерами, нужен для оценки точности измерений, проводимых с использованием автоматических осадкомеров, которыми оснащаются гидрометеорологические станции Росгидромета и всемирная сеть измерений.

б) Систематическая погрешность международного эталона DFIR с установленным в нём неавтоматическим осадкомером Третьякова может достигать 10%, а случайная – 20% при измерениях твёрдых осадков на суточном или полусуточном уровне [20]. Так как этот осадкомер не весовой, то в значения измеренных осадков требуется вводить поправки. Замена неавтоматического осадкомера на автоматический весовой усовершенствует эту систему. Для увеличения точности измерений осадков международным вторичным эталоном DFIR на осадкомерном полигоне была установлена двойная заборная защита, окружающая весовой осадкомер Pluvio-200. Для использования автоматического весового осадкомера Pluvio в двойной заборной защите необходимо определить метрологические характеристики измеренных значений осадков по этой системе относительно значений по автоматизированной ВКС. Для этого, после модернизации ВКС, потребуется проведение параллельных наблюдений за осадками по обеим модернизированным системам.

2) Усовершенствование методики корректировки данных для исключения систематических погрешностей результатов автоматизированных измерений

В связи с постепенным переходом на мировой осадкомерной сети на автоматические осадкомеры [40], вновь стал актуален вопрос корректировки данных измерений, но уже по автоматическим осадкомерам, в случае, если планируется их использование без специальных защит, значительно уменьшающих погрешность измерений. Одним из вариантов решения этой задачи может быть усовершенствование существующей модели корректировки значений осадков [1] для применения её к данным по автоматическим осадкомерам. При этом, в   значения осадков, измеренных по автоматическим весовым осадкомерам, не нужно вводить поправки на смачивание и испарение, а нужно использовать поправку на ветровой недоучёт осадков [3] для той конструкции осадкомера, на который будет заменён осадкомер Третьякова. Для определения этой поправки необходимы дальнейшие научные исследования.

3) Усовершенствование методики оценки погрешностей измерений

Осадкомерная система DFIR была рекомендована ВМО в качестве международного (вторичного) эталона, и поэтому её могут использовать в качестве эталона для определения погрешности других средств измерений, эксплуатируемых на площадках наблюдений, особенно при международных взаимосравнениях измерений осадков. В ходе исследований было выявлено, что для более точной оценки погрешностей измерений необходимо улучшить методику оценки погрешностей более правильным выбором данных для расчётов. Для оценки точности измерений необходимы данные, полученные при относительно равномерном выпадении осадков на всю территорию площадки, и сравнивать значения осадков для расчётов погрешностей измерений можно в случае их однократного выпадения на площадку между сроками наблюдений (при измерениях неавтоматическими осадкомерами - с обязательным условием, что в эти сроки наблюдений во время смены вёдер осадкомеров осадки не выпадали или, по крайней мере, были не ливневые).

Если при выборе данных для расчёта погрешности измерений осадков не учитывать вышеизложенные особенности, случайная составляющая погрешности при расчётах может оказаться большой, не соответствующей действительной, что отразится и на величине рассчитанной систематической составляющей погрешности.

4) Разработка соответствующей методики наблюдений для определения действительного слоя осадков, выпавших на определённую территорию

Для разработки соответствующей методики оценки точности измерений осадков пространственными методами, могут быть успешно использованы эталонные системы Валдайского осадкомерного полигона после их модернизации. Оценивать пространственные методы измерения выпавших осадков можно, используя ВКС или одновременно несколько систем DFIR (с автоматическими осадкомерами), устанавливая их на исследуемой территории и рассчитывая среднее значение измеренных осадков по этим эталонным системам. При этом, ВКС и DFIR должны иметь требуемую подтверждённую точность измерений осадков. Более того, на осадкомерном полигоне должны располагаться два варианта систем ВКС и DFIR – один с автоматическими осадкомерами для оперативных измерений, а другой - с неавтоматическими (на случай неполадок в автоматических осадкомерах).

Измерения для определения испарения с водной поверхности

Помимо наблюдений за осадками, на водноиспарительных площадках ВФ ГГИ, в том числе и на осадкомерном полигоне (рисунки 3, 7), много лет проводятся наблюдения за испарением с водной поверхности с использованием измерительной пары трубка-бюретка для измерений уровня воды в испарителях разных конструкций, разработанных в свое время во ВНИГЛ: в испарителях ГГИ-3000, в теплоизолированных испарителях ТМ-1, в испарительных бассейнах с площадью водного зеркала 3, 5, 20 и 100 м2, а также в американском испарителе класса А.

Результаты исследований погрешностей использования измерительной пары трубка-бюретка привели к выводу о необходимости повышения точности измерений уровня воды посредством автоматизации измерений. В 2020 году на водноиспарительной площадке осадкомерного полигона начались исследования применению автоматического магнитострикционного датчика уровня воды, которым, согласно программы модернизации сети наблюдений России, планируется заменить ручной способ измерения уровня воды  на автоматизированное с целью повышения точности определения испарения с водной поверхности. Для этого установлены высокоточные автоматические магнитострикционные датчики уровня воды в испаритель ГГИ-3000, датчик температуры поверхности воды в испарителе и датчик скорости ветра около испарителя.

            Исследования с использованием магнитострикционного датчика уровня воды пока проводятся только в испарителе ГГИ-3000, который получил массовое применение на гидрометеорологической сети у нас в стране и за рубежом. Однако, есть ещё и другие конструкции испарителя, которые считаются более лучшими: теплоизолированный испаритель ГГИ-3000 ТМ и бассейн 20 м2, эксплуатируемые на водноиспарительной площадке ВФ ГГИ, а также испарительный бассейн с площадью водного зеркала 100 м2, применяемый ранее в исследованиях во ВНИГЛ. Теплоизолированный испаритель ГГИ-3000 ТМ лишен основного недостатка испарителя ГГИ-3000 - значительного теплообмена с почвой, влияющего на температуру воды в испарителе. Бассейн 20 м2 принят в качестве эталонного прибора для измерения испарения, величина которого принимается за испарение с реальных водоемов до 1000 км2 и глубиной не более 10-16 м. Величина испарения с бассейна 100 м2 принимается за испарение со средних водоёмов. Поэтому необходимы исследования с использованием, по крайней мере, двух магнитострикционных датчиков уровня воды для сравнительных измерений и получения переходных коэффициентов от значений по испарителю, который используется на сети наблюдений, к значениям по эталонному испарителю. Относительно значений по эталонному испарителю можно исследовать и американский испаритель класса А, который широко используется за рубежом, причём с установленным в нём магнитострикционным датчиком уровня воды.

Необходимые условия для проведения дальнейших исследований

Чтобы улучшить оценку погрешности результатов измерений, т.е. уменьшить величину случайной составляющей погрешности и более точно определить величину систематической составляющей погрешности результатов измерения осадков, необходимо:

1.Поддерживать две площадки осадкомерного полигона в требуемом состоянии, чтобы не допускать появления дополнительной неопределённой погрешности в результатах измерений, вызванной изменением защищённости площадки. То есть, на кустарниковой площадке массив кустарника, являющийся кустарниковой защитой, должен подстригаться на уровне приёмной поверхности осадкомеров (2 м), а вокруг площадки не должно быть деревьев и кустарников, превышающих эту высоту (рисунок 2).  На луговой площадке высота травяного покрова не должна превышать 20 см в течение всего теплого периода года в соответствии с рекомендациями в “Наставлении гидрометеорологическим станциям и постам” (выпуск 3, часть ), а вокруг луговой площадки не должно быть высоких кустов и деревьев, чтобы она была открыта ветрам всех направлений (рисунок 1).

2.Сохранять в необходимом состоянии ВКС и , а также шесть осадкомеров Третьякова на луговой площадке для выявления равномерности выпадения осадков на весь полигон, для оценки однородности, достоверности и сравнимости результатов наблюдений при оценке точности результатов измерений по эксплуатируемым осадкомерам.

3.Для обеспечения качественых исследований, достоверности результатов наблюдений и однородности рядов данных, вокруг осадкомерного полигона должна быть установлена охранная зона не менее 200 м (“Наставление гидрометеорологическим станциям и постам”, выпуск 3, часть ), с сохранением ее физико-географических и ландшафтных особенностей. 

Заключение

Экспериментальные наблюдения, проведённые на Валдайском осадкомерном полигоне за время его существования, и научные обобщения результатов этих наблюдений, внесли значительный вклад в решение проблемы точности измерений атмосферных осадков как на национальном, так и международном уровнях. Разработанные осадкомерные системы – ВКС и DFIR, которая широко используется во всем мире – позволили оценить и увеличить точность измерений осадков.

Применение автоматических высокоточных датчиков уровня воды вместо ручных измерений с использованием измерительной пары трубка-бюретка может повысить точность расчётов испарения с водной поверхности и проводить исследования по испарению на новом, более высоком уровене.

Осадкомерный полигон с эталонными системами измерения осадков и испарения и большое количество накопленных данных представляют несомненную ценность для дальнейших исследований по оценке и увеличению точности измерений осадков и испарения. Достоверные данные по осадкам и испарению в точке измерений нужны не только для определения действительных значений осадков и испарения в месте наблюдений, но и в качестве эталонных значений для оценки пространственных методов измерений, а также для моделирования природных процессов.

Благодарности

Сотрудники ФГБУ «ГГИ» с благодарностью вспоминают всех тех, кто участвовал в создании осадкомерного полигона и измерительных установок на нём, проводил наблюдения и исследования, способствовал сохранению полигона и его модернизации - директора Государственного гидрологического института в 1963 году Урываева Валериану Андреевичу, организатора и создателя ВНИГЛ, учёных института Голубева Валентина Степановича, Кокорева Александра Васильевича и других сотрудников, работавших и внесших большой вклад в развитие осадкомерного полигона в течение всех 60 лет.

 

Литература

1.Богданова Э.Г., Голубев В.С., Ильин Б.М., Драгомилова И.В. Новая модель корректировки измеренных осадков и её применение в полярных районах России. – Метеорология и гидрология, 2002, № 10, с. 68 – 93.

2.Боголюбов С.Н. К вопросу об использовании результатов наблюдений по осадкомерам. – Сб. работ Курской ГМО, 1960, вып.1, с. 60 – 65.

3.Братцев А.П. Влияние скорости ветра на количество измеряемых осадков. – Метеорология и гидрология, 1963, № 8, с. 54 – 56.

4.Вопросы методики измерения атмосферных осадков. – Труды ГГО, 1965, вып. 175, 208 с.

5.Временные методические указания воднобалансовым станциям на мелиорируемых землях по производству наблюдений и обработке материалов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1981,

с. 252 – 258.

6.Голубев В.С. Об учёте дождевых осадков различными приборами. – Труды ГГИ, 1960, вып.81, с. 5 – 18.

7.Голубев В.С. Оценка точности учёта жидких осадков осадкомерами Третьякова. – Труды ГГИ, 1962, вып.95, с. 4 – 13.

8.Голубев В.С. Некоторые результаты исследований на осадкомерном полигоне ВНИГЛ. – Труды ГГИ, 1965, вып.123, с. 81 - 95.

9.Голубев В.С., Рогоцкая Р.Е. Предварительные результаты исследований улавливаемости твёрдых атмосферных осадков осадкомерными приборами. – Труды ГГИ, 1968, вып.152,

с. 1 – 17.

10.Голубев В.С. Изучение точности учёта атмосферных осадков. – Труды ГГИ, 1969, вып.176, с. 149 – 164.

11.Голубев В.С. О корректном измерении атмосферных осадков осадкомером Третьякова. – Труды ГГИ, 1970, вып. 181, с. 87 – 97.

12.Голубев В.С. Методика корректировки срочных и месячных величин атмосферных осадков и результаты её проверки. – Труды ГГИ, 1973, вып. 207, с. 11 – 27.

13.Голубев В.С. О систематической ошибке корректировки атмосферных осадков. – Труды ГГИ, 1973, вып. 207, с. 3 – 10.

14.Голубев В.С. Исследование влияния двойных заборных защит на показания осадкомера Третьякова. – Труды ГГИ, 1979, вып.258, с. 91 – 101.

15.Голубев В.С. Ветровая защита для осадкомера. – Авт. свидетельство № 841510, 01 1/4, УДК 551.509.8 (088.8). Приоритет изобретения 15 февраля 1980 г.

16.Голубев В.С. Предварительные оценки точностных характеристик осадкомера в двойной заборной защите. – Метеорология и гидрология, 1991, № 2, с.116 -121.

17.Голубев В.С., Симоненко А.Ю. Результаты сравнения сетевых методов наблюдений за атмосферными осадками зимой. – Метеорология и гидрология, 1992, № 5, с. 100 -107.

18.Голубев В.С., Кокнаева В.В., Симоненко А.Ю. Результаты измерений атмосферных осадков национальными стандартными приборами Канады, России и США. – Метеорология и гидрология, 1995, № 2, с. 102 – 110.

19.Голубев В.С., Коновалов Д.А., Симоненко А.Ю., Товмач Ю.В. Оценка погрешностей измерений атмосферных осадков Валдайской контрольной системой. – Метеорология и гидрология, 1997, № 7, с. 108 – 116.

20.Голубев В.С., Коновалов Д.А., Симоненко А.Ю., Товмач Ю.В. Корректировка измерений осадков и оценка их качества по данным Валдайской гидрологической станции. – Метеорология и гидрология, 1999, № 1, с. 103 – 113.

21.Голубев В.С. Измерения атмосферных осадков и проблемы использования этих данных в гидрологических исследованиях. – Сборник работ по гидрологии, № 26, СПб, Гидрометеоиздат, 2003, с. 23 – 41.

22.Дыгало В.С. К вопросу о точности измерения осадков. – Труды ЦИП, 1959, вып.94, с. 92 – 99.

23.Зыков Н.А. Об учёте зимних осадков осадкомерами – Труды ГГИ, 1954, вып. 46,

с.100 – 107.

24.Зыков Н.А. Соотношение количества зимних осадков по осадкомерам и снегосъемкам на опытных водосборах ВНИГЛ. – Труды ГГИ, 1960, вып.81, с. 19 – 26.

25.Константинов А.Р. Испарение в природе. – Л., Гидрометеоиздат, 1968, 532 с.

26.Материалы наблюдений Валдайской научно-исследовательской гидрологической

лаборатории, вып.17, 1965. – Валдай, 1967, 464 с.

27.Методическое письмо ГГО № 18-2011. О внедрении программы корректировки осадков, измеренных осадкомером О-1, в системе обработки режимной метеорологической информации ПЕРСОНА-МИС. – Спб, 2011.

28.Руководство по проведению международных сравнений осадкомеров (жидкие осадки). – Л., 1970, 43 с.

29.Свидетельство о поверке, № 1501. – Госстандарт России, 1998.

30.Свидетельство о поверке, № 242/637-04. – Госстандарт России, 2004.

31.Соколов А.А., Корзун В.И. Валериан Андреевич Урываев. Жизнь, отданная науке о воде. – Л.: Гидрометеоиздат,1983,88 с.

32.Струзер Л.Р. Основные недостатки и пути улучшения методов измерения атмосферных осадков. – Труды ГГО, 1965, вып.175, с. 5 – 23.

33.Струзер Л.Р., Голубев В.С., Горбунова И.Г. Предварительные результаты сравнения осадкомеров. – Метеорология и гидрология, 1966, № 11, с. 53 – 57.

34.Урываев В.А., Бочков А.П., Голубев В.С., Зыков Н.А., Крестовский О.И. Основные недостатки методов наблюдения над снежным покровом и осадками и предложения ГГИ по их улучшению. – Труды ГГО, 1965, вып. 175, с. 31-58.

35. Golubev, V.S. 1985: On the Problem of Actual Precipitation Measurements at the Observation Site. - ETH/WMO/IAHS Workshop on the Correction of Precipitation Measurements, 1-3 April 1985, Zurich, p.61-64.
36. Observer’s Handbook (Second edition). H. M. Stationary Office. London, 1956.
37. Warnick C.C. Experiments with windshields for precipitation gauges. Transactions, Amer. Geophys. Union, v. 34, No. 3, June 1953.
38. WMO, 1986: First Report, International Organizing Committee for WMO Solid Precipitation Measurement Intercomparison, WMO, Geneva, 32 pp.

39.WMO, Instruments and Observing Methods, Report No.67, WMO/CIMO. WMO Solid Precipitation Measurement Intercomparison. Final Report, WMO/TD-No.872, 1998, 300 p.

40. WMO, Instruments and Observing Methods, Report No.131. WMO Solid Precipitation Measurement Experiment (SPICE) (2012-2015). SPICE Final Report, WMO, Geneva, 2018, 1445 p.

 

Материал подготовлен Симоненко А.Ю., ведущим инженером Лаборатории метрологии и стандартизации ФГБУ «ГГИ»