Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0030

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0030
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка и создание измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя
Докладчик
Тихомиров Александр Алексеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели:
1) Создание комплекса научно-технических решений в области разработки измерительно-вычислительной системы (ИВС), предназначенной для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя (АПС).
2) Получение новых научно-технических результатов в области оперативного мониторинга и прогнозирования основных метеорологических и экологических характеристик приземного слоя атмосферы над мезомасштабными объектами.
Задачи:
1) Разработка методов определения метеорологических и экологических параметров АПС: а) типа стратификации и вертикальных профилей (ВП) метеорологических характеристик на основе приземных измерений; б) ВП метеорологических характеристик контактным способом; в) ВП метеорологических и турбулентных характеристик контактным способом; г) интегральных и структурных характеристик осадков (дождя, града); д) газовых загрязнений приземной атмосферы; е) содержания паров ртути в воздухе;
2) Создание экспериментального образца (ЭО) ИВС в составе: а) 4 территориально разнесенных поста стационарного измерительного комплекса (СТИК); б) мобильный измерительный комплекс (МИК), включающий: портативные автоматические метеостанции (АМС) – электронную и ультразвуковую, размещенные на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), двухуровневую ультразвуковую АМС, оптический осадкомер, оптическую систему многокомпонентного газоанализа и анализатор паров ртути; в) центр обработки данных (ЦОД) с модулями: приема и подготовки данных, выдачи данных по внешним запросам, визуализации данных, сверхкраткосрочного временного метеорологического прогноза и базой данных.
3) Проведение экспериментальных исследований ЭО ИВС.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность. Организация комплексного, постоянного и оперативного мониторинга за метеорологическим и экологическим состоянием воздушной среды является одной из актуальнейших задач. Проведение непрерывного мониторинга обеспечит возможность прогнозирования возникновения и дальнейшего развития опасных метеорологических явлений, а также проводить контроль развития экологической обстановки в случае возникновения техногенных катастроф.
Новизна. Разработаны новые оперативные методы определения: типа стратификации и вертикальных профилей метеорологических величин до высот 500 м с высоким пространственным разрешением, интегральных и структурных характеристик осадков (дождя и града), концентраций молекулярных газовых загрязнений (на уровне ПДК) и паров ртути (на уровне долей ПДК) в приземном слое атмосферы. Разработанная архитектура построения ЭО ИВС, качественные и количественные характеристики получаемой посредством нее метеорологической информации (объем, погрешности измерения и частота обновления первичных данных) позволяют реализовать новые технологии модельного восстановления мезомасштабных полей метеорологических величин АПС и алгоритмы сверхкраткосрочного временного прогноза их изменений. ЭО ИВС обеспечивает измерение полей метеорологических величин и основных концентраций газовых и ртутных загрязнений на территории 100-300 кв. км как на постах стационарного измерительного комплекса (СТИК), так и внутри территории при использовании мобильного измерительного комплекса (МИК).
Новизна подтверждена 14 публикациями в базах WoS и Scopus, 7 заявками на изобретения (получено 4 патента), 20 докладами на международных конференциях, участием в 4-х международных выставках.
Описание исследования

Для изучения типа стратификации и ВП метеорологических характеристик АПС применен градиентный метод, основанный на измерениях усредненных значений основных метеорологических величин (температура, давление и влажность атмосферного воздуха и 3-х компонентный вектор скорости ветра) на трех высотных уровнях (2, 10, 30 м) с последующим оцениванием интегральных параметров устойчивости в АПС. Одновременно используется статистический метод, основанный на прямых измерениях с помощью ультразвуковых АМС турбулентных пульсаций температуры и ортогональных компонент скорости ветра на тех же высотных уровнях, с вычислением значений потоков тепла, импульса и масштаба Монина-Обухова, используемых в качестве экспериментальных параметров в модельных универсальных функциях подобия. Нами оба метода объединены в один, в котором оптимально сочетаются их достоинства (преимущества) и достигается наибольшая информативность о состоянии АПС. Реализация метода осуществляется путем измерения метеорологических характеристик на 4-х территориально разнесенных постах СТИК, а также на двухуровневой УАМС, входящей в МИК.

Контактные измерения ВП метеорологических и турбулентных характеристик АПС до высот 500 м с пространственным разрешением 10-20 м производятся с помощью ЭО электронной и ультразвуковой АМС, размещаемых на БПЛА типа гексакоптер и привязной аэростат. ВП турбулентных характеристик АПС определяются с помощью УАМС, установленной на аэростате. Электронная АМС измеряет температуру, давление и влажность воздуха. Патентуются способы измерения скорости ветра с помощью электронной АМС.

Для измерения интегральных (суммы и интенсивности) и структурных (размеры и скорости падения частиц) характеристик атмосферных осадков применен метод анализа изображений, который реализован в ЭО оптического измерителя осадков (ОПТИОС). За счет измерения с частотой 20 кГц размеров поперечных сечений частиц осадков, проходящих через измерительную площадку​, прибор позволяет определять объем каждой частицы и скорость ее падения. Затем определяется интенсивность выпадения осадков и их общее количество, выпавшее на интервале проведения измерений. Учитывается объем всех зарегистрированных капель.

Измерение состава и концентрации загрязняющих молекулярных газовых компонентов атмосферы основано на методе спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). На его основе создан прибор пробоотборного типа – "СКР-газоанализатор", являющийся ключевым компонентом ЭО многокомпонентной оптической системы газоанализа (МОСГ). Для повышения чувствительности метода используется сжатие анализируемой пробы газа, а также эффект увеличения интенсивности возбуждающего лазерного излучения в рассеивающем объеме за счет использования многопроходной кюветы высокого давления.  Молекулы каждого компонента газовой смеси обеспечивают рассеяние возбуждающего лазерного излучения на характерных частотах, соответствующих внутреннему строению молекул, что обеспечивает их идентификацию в спектральном приборе.  Система регистрации спектров СКР состоит из многоканальной детекторной головки с охлаждаемой ПЗС матрицей.

Для измерения концентрации паров ртути в воздухе применен метод дифференциальной атомной абсорбционной спектроскопии в УФ диапазоне, который реализован в ЭО ртутного газоанализатора (РГА). В нем  в качестве источника излучения используется капиллярная лампа с естественным изотопным составом ртути, а для получения двух длин волн применен поперечный эффект Зеемана. Дополнительно для повышения чувствительности используется многоходовая кювета.

В состав МИК и каждого поста СТИК включены датчики гамма-фона, а на одном из постов СТИК установлен ЭО ОПТИОС, что обеспечивает измерение характеристик осадков на значительной территории (второй ЭО ОПТИОС включен в состав МИК). 

Измерительная информация с каждого ЭО прибора, входящего в состав МИК или поста СТИК, поступает на контроллеры сбора и обработки данных (КСОД), кодируется соответствующим образом и посредством GPRS связи передается на сервер центра обработки данных (ЦОД). В состав ЦОД входят программные модули: приема и подготовки данных; выдачи данных по внешним  запросам; визуализации данных в графическом и табличном видах;  сверхкраткосрочного временного прогнозирования метеорологических характеристик АПС и  база данных. Потребитель может наблюдать измерительную информацию как режиме реального времени, так и визуализировать данные, полученные в любой предыдущий период измерений.

Результаты исследования

Разработаны методы определения:

а) типа стратификации для определения термодинамического состояния АПС (конвекция/инверсия/нейтральное) и ВП скорости ветра, температуры, влажности и давления воздуха в режиме реального времени на основе данных измерений многоуровневых УАМС (постов СТИК);

б) контактного определения ВП температуры, давления и влажности воздуха до высоты 500 м на основе данных измерений электронной АМС на БПЛА;

в) контактного определения ВП метеорологических и турбулентных характеристик (мгновенных значений скорости ветра, температуры, давления и влажности атмосферного воздуха) в АПС до высот 500 м на основе данных измерений УАМС на БПЛА;

г) определения характеристик осадков (дождя, града) в режиме реального времени: интегрального количества дождевых осадков (сумма выпавших осадков, мм), их интенсивности (количества осадков в единицу времени, мм/час), размеров и скоростей падения частиц осадков на основе данных измерений ОПТИОС;

д) определения в режиме реального времени концентрации молекулярных газовых загрязняющих компонентов в атмосфере, измеряемых МОСГ;

е) определения в режиме реального времени концентрации паров ртути в воздухе на основе данных измерений РГА.

​Разработан и изготовлен ЭО ИВС в составе СТИК, МИК и ЦОД. В состав СТИК входят 4 поста многоуровневых ультразвуковых АМС. В состав МИК, основанного на автомобиле "Соболь" с прицепом, входят: МОСГ, РГА, электронная и УАМС на БПЛА (гексакоптер и привязной аэростат), двухуровневая УАМС, ОПТИОС, КСОД. В состав ЦОД входят сервер с ЭО программного обеспечения (программные модули и база данных).

Создан измерительный комплекс для проведения лабораторных испытаний всех составных частей ЭО ИВС. Проведенные лабораторные испытания подтвердили соответствие всех изготовленных ЭО требованиям ТЗ на выполнение ПНИ.

Проведены экспериментальные исследования (натурные испытания) ЭО ИВС и его составных частей. По их результатам установлено:

а) посты СТИК, двухуровневая УАМС и УАМС на БПЛА обеспечивают измерение: мгновенных (частота выборок 40 Гц), средних за период, максимальных/минимальных значений: скорости горизонтального ветра (0,1 ... 40) м/с, направления горизонтального ветра (0 ... 360) град, скорости вертикального ветра (-15 ... +15) м/с, температуры воздуха (-50 ... +55) °C; средних за период, максимальных/минимальных значений: влажности воздуха (15 ... 100) %, атмосферного давления (520 ... 800) мм рт. ст. (соответствует зарубежным аналогам); 

б) электронная АМС на БПЛА обеспечивает измерение температуры (-50 ... + 50) °C, влажности (15 ... 100) %, давления (520 ... 800) мм рт. ст. (соответствует зарубежным аналогам); 

в) ОПТИОС обеспечивает измерение линейного размера частиц осадков в диапазоне 0,3 ... 10 мм, с погрешностью ±0,1 мм и чувствительностью по сумме выпавших осадков 10-4 мм (соответствует зарубежным аналогам);

​г) МОСГ обеспечивает​ измерение концентраций СО, СО2, NO, NO2, CH4, СН3ОН, SO2, NH3, HCHO, C6H6, C6H5CH3 на уровне 1 ПДК (50-100 ppb) за время не более 15 мин (превосходит зарубежные аналоги). Спектры этих газов занесены в базу данных прибора. Возможно измерение концентраций других молекулярных поллютантов при внесении их спектров СКР в базу данных.

д) РГА обеспечивает​ измерение концентраций паров ртути в атмосферном воздухе на уровне 0,1 ПДК (30 нг/м3​) за 15 мин (отличие от отечественных аналогов в том, что используется дешевая ртутная лампа с естественным изотопным составом, упрощена оптическая схема).

Практическая значимость исследования
Коммерциализация проекта осуществляется с помощью Индустриального партнера, который будет выполнять ОКР по теме "Разработка измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомаштабного мониторинга и прогнозирования состояния АПС" на основании ТЗ, разрабатываемого на последнем этапе ПНИ.
Разработанные методы определения метеорологических и экологических параметров, реализуемые в создаваемом ЭО ИВС, должны способствовать совершенствованию технологий мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния АПС.
Предполагается мелкосерийный выпуск как самой ИВС, так и ее отдельных составных частей, которые могут являться автономными измерителями: различные модификации ультразвуковых автоматических метеостанций (многоуровневые стационарные и мобильные – возимые, переносные и на БПЛА), оптические измерители структурных и интегральных характеристик атмосферных осадков, многокомпонентные газоанализаторы для измерения концентраций молекулярных загрязняющих веществ и анализаторы концентрации паров ртути в атмосферном воздухе.
Внедрение результатов проекта должно способствовать развитию материально-технической и информационной инфраструктуры в области метеорологического и экологического мониторинга для уменьшения отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду и повышения качества жизни населения. Разработанные автономные измерительные приборы и устройства позволят существенно продвинуться в решении проблемы импортозамещения в различных отраслях науки и промышленности.
Потребителями результатов проекта являются: региональные департаменты природных ресурсов и охраны окружающей среды для использования ИВС при проведении непрерывного мониторинга состояния АПС; крупные промышленные, транспортные и прочие объекты хозяйственной инфраструктуры, функционирование которых имеет зависимость от метеорологической и экологической ситуации; структуры МЧС России для обеспечения непрерывными данными о значениях метеорологических величин на контролируемой территории и для прогнозирования развития газовых загрязнений атмосферы и окружающей среды; различные рода и виды вооруженных сил, нуждающиеся в метеорологическом освещении театра военных действий.