УДК 551.501.777.001.5(985)
Новая модель корректировки измеренных осадков и ее применение в полярных районах
России
Э. Г. Богданова», В. С. Голубев,
Б. М. Ильин*, И. В. Драгомилова*
Представлена новая модель корректировки осадкомерных данных, учитывающая все основные систематические погрешности измерения осадков осадкомером Третьякова. Предложен алгоритм, на основании которого разработана программа корректировки суточных сумм осадков. Приведены результаты корректировки суточных сумм осадков, измеренных на 16 станциях арктического побережья и полярных районов России от Мурманска до м. Шмидта за период с середины 1950-х по ¡990 г. При корректировке учтены все систематические погрешности измерения осадков осадкомером Третьякова: ветровой недоучет, суммарный эффект процессов смачивания, испарения и конденсации на внутренней поверхности осадкоприемного сосуда, а также эффект "ложных " осадков, попадающих в прибор во время метелей. Полученные результаты обобщены и представлены в виде стандартных средних многолетних характеристик (месячные и годовые суммы, внут-ригодовое распределение). Оценены различия между соответствующими характеристиками, полученными по измеренным и скорректированным осадкам.
1. Введение. История вопроса
Количество атмосферных осадков, измеренных с помощью любого осадкомерного прибора, как правило, меньше, чем количество действительно выпавших осадков, вследствие систематических ошибок, связанных с конструкцией прибора. Для осадкомера Третьякова к числу основных систематических погрешностей относятся: аэродинамическая (ветровой недоучет), потери осадков на смачивание внутренней поверхности осадкосборника, искажения в результате процессов испарения и конденсации, а также наметание в осадкомер снега, поднятого с поверхности снежного покрова при сильных метелях. По оценкам, полученным в 1960-х годах [2, 3, 8, 11, 13, 31, 32, 34—36, 40, 41], количество жидких осадков систематически уменьшается на 10—15% измеренной суммы, количество твердых и смешанных осадков — на 30—60%. Столь значительные погрешности измерения чрезвычайно затрудняют использование сведений об осадках как в научных исследованиях, так и в хозяйственной практике.
С конца 1950-х по 1980-е годы предпринимались обширные экспериментальные исследования погрешностей стандартных осадкомеров. Они
* Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова. 68
проводились как в рамках международных программ под эгидой ВМО [30, 39, 48], так и независимо от них на широкой сети научно-исследовательских учреждений и наблюдательных пунктов Гидрометслужбы СССР под руководством Главной геофизической обсерватории (ГГО) и Государственного гидрологического института (ГГИ). Результаты исследований широко публиковались в научной печати [2, 3, 8, 11, 13, 31, 32, 34—36, 40, 41] и нашли практическое применение, в частности, при создании таких фундаментальных обобщений, как Справочник по климату СССР [28], Атлас мирового водного баланса [25], Атлас снежно-ледовых ресурсов мира [1] с сопутствующими монографиями.
Все разработанные в ГГО методики определения систематических погрешностей измерения осадков, примененные в вышеназванных и других обобщениях, предназначались только для корректировки среднего многолетнего количества осадков. Вариант методики, предложенной ГГИ, был рекомендован для использования при расчете оперативных месячных водных балансов речных бассейнов [5, 7, 23, 24]. Для корректировки среднего многолетнего месячного количества осадков, по данным измерений в ме-телевых районах, был предложен вариант методики, разработанный в ААНИИ [6, 38]. При разработке каждого из вариантов методики эталонные данные об осадках получались разными способами и с разной степенью приближенности, так как достаточно надежного эталона сравнения при измерении твердых осадков в то время не существовало, следовательно, было невозможно оценить погрешности эталонных данных.
Попытка использования разработанных методик для корректировки осадков, измеряемых в режиме текущих наблюдений (за отдельные сроки измерений, сутки, декаду и т. п.), предпринятая на массовой сети станций гидрометслужбы в начале 1970-х годов, потерпела неудачу по двум причинам. Во-первых, несмотря на максимально возможные упрощения необходимых расчетов, методика корректировки оставалась слишком громоздкой и трудоемкой для наблюдателя. Во-вторых, упрощение схемы расчетов неизбежно приводило к увеличению случайной погрешности определения исправленного количества осадков. В результате было принято решение о введении в текущие данные об осадках поправки, компенсирующей только одну из систематических погрешностей, а именно — потери осадков при смачивании внутренней поверхности осадкосборного сосуда. Эта поправка на смачивание вводится с 1 января 1966 г. и по настоящее время на всех осадкомерных пунктах Росгидромета в соответствии с действующими наставлениями. Все остальные систематические погрешности до настоящего времени остаются не учтенными в текущих наблюдениях за осадками.
Поскольку значения этих погрешностей особенно велики для твердых осадков, начиная с 1985 г. и по 1996 г. по инициативе Комиссии по приборам и методам ВМО при активном участии ГГИ проводились международные сравнения осадкомеров, измеряющих твердые осадки. После их завершения появилась возможность получения вполне достоверных данных о количестве осадков, в том числе твердых [49]. Главным достижением проведенных экспериментальных исследований стала достаточно корректная оценка ветрового недоучета для основных типов стандартных национальных осадкомеров в сравнении (непосредственном или через посредство
промежуточных эталонов) с наиболее надежным эталонным измерителем осадков — Валдайской контрольной системой (ВКС). ВКС представляет собой комплекс осадкомеров с разной ветровой защитой, установленных на Валдайском осадкомерном полигоне среди обширного кустарника, систематически подрезаемого в уровень с приемной поверхностью осадкомеров. Надежность и достоверность показаний ВКС проверена многолетними результатами разносторонних полевых испытаний и оригинальной методикой объективной оценки точности применяемых средств измерения [16, 49]. В качестве промежуточных эталонных приборов в пунктах проведения международных сравнений использовались стандартный российский осадкомер Третьякова и такой же осадкомер, окруженный двойным штакетным забором специальной конструкции [9, 12, 44]. Ход и результаты международных сравнений осадкомеров постоянно освещались и обсуждались в соответствующих изданиях ВМО и другой специальной литературе, где имеется обширная библиография по исследуемой проблеме [49].
К настоящему времени разработано несколько вариантов методики корректировки измеренных осадков (для количества осадков за отдельные сутки или более короткие периоды измерений — 12 или 6 ч), предназначенных для осадкомеров разных национальных конструкций и адаптированных к национальным особенностям методов эксплуатации осадкомеров и получения исходных параметров, необходимых для расчета погрешностей. В частности, для осадком ера Третьякова предложены 3 варианта методики: методика Международного организационного комитета (МОК) ВМО [49, 54], методика группы специалистов из северных стран Европы [43] и методика В. С. Голубева, разработанная в России [49]. Сравнение качества результатов корректировки, полученных с применением каждой из этих методик, с данными ВКС показало, что они примерно равноценны по величине рассчитанных систематических погрешностей в том диапазоне скоростей ветра и температуры воздуха, который характерен для климата Валдая [15]. Однако по условиям применения методики МОК ВМО [49] корректировочные уравнения для определения ветрового недоучета твердых осадков рекомендуется использовать лишь для скоростей ветра на высоте осадкомера менее 6,5 м/с и в отсутствие метелей. Для решения вопроса о том, как корректировать твердые осадки, измеренные осадкомером Третьякова, при более сильных ветрах и при наличии метелей, МОК ВМО не предлагает конкретных мер и лишь рекомендует продолжать соответствующие исследования.
Тем не менее, в последние годы широко публикуются результаты применения методики МОК ВМО в разных регионах, главным образом там, где значительное количество осадков выпадает в виде снега и при сильных ветрах. Хорошо известно, что в таких условиях результаты измерения осадков наименее достоверны и нуждаются в корректировке в первую очередь [33, 37, 38, 45—47]. Именно поэтому внимание исследователей привлекли Аляска [53], Гренландия [52], Шпицберген [42], Сибирь и арктические районы России [51], а также дрейфующие станции на акватории Северного Ледовитого океана [50]. Во всех этих исследованиях принимались во внимание лишь три вида систематических погрешностей измере-70
ния осадков: ветровой недоучет, потери при смачивании внутренней поверхности осадкосборника и потери осадков в тех случаях, когда их измеренное количество составляет менее половины деления измерительного средства (мерного стакана или линейки). Это количество отмечается как 0,0 или "следы" и при дальнейшем суммировании не учитывается. Величина ветрового коэффициента ограничивалась значением, соответствующим скорости ветра на высоте осадкомера, равной 6,5 м/с, и принималась равной этому значению при всех скоростях ветра более 6,5 м/с [50, 51].
Полученные в работах [50, 51] результаты показали настолько значительное увеличение исправленных осадков в Арктике по сравнению с измеренными, что это вызывает сомнение в их достоверности с точки зрения климатологии. Например, трудно представить, чтобы столь значительное количество осадков выпадало на дрейфующих станциях на акватории Северного Ледовитого океана или на арктическом побережье Сибири в условиях устойчивого антициклонального режима при очень низких температурах воздуха и соответственно малого его влагосодержания в течение большей части года. Основной причиной этого увеличения, очевидно, является тот факт, что в процессе корректировки не принимались во внимание "ложные" осадки.
Необходимость учета влияния "ложных" оса
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.