Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
Научно-производственное объединение «Тайфун»

Специализированная автоматическая сеть метеонаблюдений на базе вышек сотовой связи

Одной из основных задач гидрометеорологической службы является прогнозирование различных явлений природы. Задача по обеспечению данными современных систем оперативного прогноза погоды и систем прогноза возникновения и распространения опасных явлений возлагается на метеорологическую наблюдательную сеть. Основная наблюдательная сеть Росгидромета на сегодня имеет шаг порядка 100 км и более. Данные, получаемые от такой сети, не достаточны для создания достоверных мезомасштабных прогнозов и прогнозов возникновения и распространения опасных погодных явлений. Для повышения качества прогнозов опасных явлений погоды необходимо, в первую очередь, своевременное их обнаружение, то есть развитие и усовершенствование наблюдательной сети путем увеличения её плотности, повышения точности измерений на станциях, а также повышение оперативности и надёжности передачи данных наблюдений в прогностические органы и другим потребителям.

В связи с этим в рамках программы по модернизации и техническому перевооружению учреждений и организаций Росгидромета перед НПО «Тайфун» была поставлена задача по созданию специализированной автоматической сети метеорологических наблюдений (САСМН) на базе вышек сотовой телефонной связи. Целью создания такой сети является решение следующих задач:

  • повышение плотности сети метеонаблюдений и частоты передачи данных;
  • автоматизация сбора и передачи данных о состоянии окружающей среды;
  • обеспечение систем оперативного прогноза погоды достаточным количеством данных;
  • обеспечение данными систем мезомасштабных прогнозов погоды;
  • значительное снижение затрат на создание и содержание пункта наблюдения.

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

Целью создания САСМН на сегодняшнем этапе является отработка в реальных условиях технических и программных решений, обеспечивающих получение достоверных данных о метеорологических условиях в местах постановки метеостанций, а также отработка взаимодействия САСМН с другими элементами наблюдательной сети (ЦГМС, АСПД и Гидрометцентром России).

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

  • согласование технических требований к САСМН с ГГО и Гидрометцентром РФ;
  • согласование с сотовым оператором возможности использования их вышек для размещения метеостанций;
  • разработка программного модуля для метеостанции, обеспечивающего передачу данных в формате АСПД Росгидромета.

На сегодняшний день создана экспериментальная сеть метеонаблюдений на базе метеокомплексов МК-14, размещённых на вышках сотовой связи в Калужской и Московской областях:

  • две станции на вышке в Тимашово, на уровнях 12 и 36 метров;
  • в Юхнове, на уровне 36 метров;
  • в с. Волково, стандартное размещение для наземной сети;
  • в Людиново, стандартное размещение для наземной сети (МК-15);
  • в Хвастовичах, стандартное размещение для наземной сети;
  • в д. Елагино Наро-Фоминского р-на, стандартное размещение для наземной сети.

ris1.jpg

Рисунок 1. Размещение метеостанций САСМН.

ris2.jpg

Рисунок 2. Пример размещения станции в Юхнове. Слева датчик ветра, справа датчики жидких осадков и температуры и влажности.

ris3.jpg

Рисунок 3. Пример размещения датчика ветра на вышке в с. Волково.

Помимо непосредственной установки станций на сотовые вышки, выполняются работы, направленные на повышение качества и достоверности данных, получаемых от САСМН.

В НПО «Тайфун» было выполнено исследование по определению влияния конструкций вышки на показания датчика ветра. Расчёт проводился с помощью специальной программы. В этой программе была создана модель сотовой вышки, для которой выполнялась оценка.

Основные выводы данного исследования:

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

В 2011–2013 гг. Московским и Калужским ЦГМС проводились сравнительные наблюдения показаний станций, размещённых на вышках, с показаниями стандартных станций метеонаблюдений. Данные наблюдения показали что, данные, получаемые от стандартных метеостанций и метеокомплексов, размещённых на вышке, очень близки и не имеют резких расхождений.

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

ris4.jpg

Рисунок 4. Схема распределения поля атмосферного давления на уровне моря по Калужской области по среднесуточным данным 17 июня 2012 года.
ris5.jpg

Рисунок 5. Схема распределения поля средней месячной температуры воздуха по Московскому региону в ноябре 2012 года. Температура воздуха по данным станции Елагино 1,0ºС.
ris6.jpg
Рисунок 6. Схема распределения поля средней месячной относительной влажности воздуха по Московскому региону в ноябре 2012 года. Относительная влажность воздуха по данным станции Елагино 92%

Из данных наблюдений были сделаны следующие выводы:

  • показания измеряемых метеоэлементов САСМН соответствуют требованиям методических рекомендаций Росгидромета;
  • данные от САСМН поступают регулярно и без сбоев;
  • рекомендуется использование данных САСМН в оперативной практике ЦГМС.

По результатам этих исследований было принято решение о вводе САСМН на базе вышек сотовой связи в опытную эксплуатацию в Московском и Калужском ЦГМС.

С начала 2013 г. по настоящее время на базе опытного полигона Гидрометцентра (ГМЦ) РФ выполняется отработка приёма, обработки и анализа данных от метеостанций, размещённых на вышках совой связи. Также ведутся работы по обеспечению использования данных от «вышковых» метеостанций в системах прогноза погоды. Помимо указанных работ, в ГМЦ также проводится контроль достоверности и качества данных САСМН.

Результаты и выводы работ, выполняемых ГМЦ:

  • спроектирована и реализована Система усвоения данных метеорологических наблюдений САСМН на опытном полигоне для решения задач гидродинамического прогнозирования и верификации прогностических моделей;
  • выполнен сравнительный анализ поступающих данных, из которого следует, что за время проведения экспериментов существенно улучшены данные о температуре и приземном давлении;
  • в настоящее время устойчиво функционирует от четырёх до семи станций, установленных на вышках сотовой связи.

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

Исходя из результатов опытной эксплуатации, можно охарактеризовать работу САСМН как достаточно надёжную и бессбойную. Все станции, регулярно передают сообщения с данными. Формат сообщений, формируемых метеостанциями, не содержит ошибок. Значения метеопараметров, измеренных САСМН, показывают хорошую сходимость со значениями стандартных метеостанций. Достигнутые результаты позволяют рассматривать САСМН на базе вышек сотовой связи как один из основных способов расширения наблюдательной сети Росгидромета и источник данных для обеспечения систем прогноза погоды.