XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Метеорология играет ключевую роль в современном мире, влияя на различные аспекты нашей жизни, от сельского хозяйства и транспорта до предупреждения стихийных бедствий и планирования городской инфраструктуры. В основе точных метеорологических прогнозов лежит непрерывное измерение различных атмосферных параметров. Стандартная метеорологическая площадка оснащена приборами для измерения температуры (например, психрометр, состоящий из сухого и смоченного термометров), атмосферного давления (барометр), скорости и направления ветра (анемометр и флюгер), количества осадков (осадкомер), влажности воздуха (гигрометр или психрометр) и других показателей. Каждый прибор имеет свои пределы измерения и характеристики точности (например, ртутный барометр может иметь пределы измерения от 600 до 800 мм.рт.ст. и точность до 1.5 мм.рт.ст.)[1].

В последнее время широкое распространение получают виртуальные приборы, созданные на базе программного обеспечения, которые заменяют традиционные физические аналоги. Преимущества виртуальных приборов включают гибкость настройки, автоматизацию сбора и обработки данных, возможность моделирования различных сценариев и снижение затрат на приобретение и обслуживание оборудования.

Целью данной работы является разработка интерактивного метеорологического тренажера в среде LabVIEW для обучения студентов практическим навыкам работы с метеорологическими данными и их интерпретации, включая определение относительной влажности и температуры точки росы по психрометрическим таблицам, перевод единиц измерения в систему СИ и кодирование информации по коду КН-01.

Разработанный в среде LabVIEW метеорологический тренажер, представлен на рисунке 1. На виртуальной панели тренажера отображаются текущие дата, время и следующие приборы:

• Сухой и смоченный термометры - используются для измерения температуры воздуха. Разница показаний этих термометров необходима для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометрических таблиц или формул. Диапазон измерения от -20 до 40 градусов Цельсия.

• Барометр - измеряет атмосферное давление в мм.рт.ст.

• Румбометр - показывает направление ветра. Проградуирован в градусах (от 0° до 360°).

• Анемометр - измеряет скорость ветра в м/с. Диапазон измерения от 0 до 20 м/с.

• Прибор МДВ - прибор, измеряющий прозрачность атмосферы и определяющий метеорологическую дальность видимости.

• Осадкомер - предназначен для сбора и измерения количества выпавших осадков (дождя, снега и т.д.). Измеряется в миллиметрах слоя воды от 0 до 20 мм.

Рисунок 1 – Внешний вид тренажера

Среда разработки LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) использует графический язык программирования G, где программы, называемые виртуальными приборами (ВП), создаются путем соединения функциональных блоков на блок-диаграмме.

Блок-схема метеорологического тренажера (рисунок 2) демонстрирует логику обработки данных и взаимодействия различных компонентов программы. Входной блок "Загрузка данных" отвечает за чтение данных из файла, это таблица с метеорологическими измерениями. Используется функция "Read Delimited Spreadsheet", которая позволяет импортировать данные, разделенные разделителями, как в формате CSV или TXT.

Далее данные распределяются по нескольким параллельным ветвям обработки, каждая из которых отвечает за определенный метеорологический параметр. Предусмотрена обработка данных для "Руброметра" (определение направление ветра), "Осадкомера Третьякова" (измерение количества осадков), "Барометра"(измерение давления), "Анемометра" (измерение скорости ветра), "Сухого термометра" и "Смоченного термометра".

Реалистичный интерфейс тренажера, имитирующий работу с настоящими метеорологическими приборами, способствует более эффективному усвоению материала студентами.

Рисунок 2 – Блок-схема тренажера

Поскольку данные для смоченного термометра отсутствуют в исходном наборе, они вычисляются с помощью эмпирического уравнения (1) [2]:

(1)

где: Tw - температура смоченного термометра;

T - температура сухого термометра;

RH - относительная влажность.

Это уравнение обеспечивает высокую точность расчетов в диапазоне температур от -20°C до 50°C и относительной влажности от 5% до 99%.

В качестве исходных данных для тестирования и обучения на метеорологическом тренажере использовались реальные метеорологические данные, собранные во время прохождения холодных фронтов через Санкт-Петербург в 2023 году. Данные включают измерения температуры, атмосферного давления, влажности, скорости и направления ветра. Данные были собраны с интервалом в 3 часа. Общий объем выборки составил 680 измерений, что позволяет проанализировать динамику изменения метеорологических параметров в течение продолжительного периода времени и отработать навыки интерпретации данных в условиях, приближенных к реальным. Использование реальных данных позволяет студентам не только освоить технические аспекты работы с метеорологической информацией, но и понять важность правильной интерпретации данных для прогнозирования погоды и анализа атмосферных процессов.

Пример внешнего вида тренажера при прохождении холодного фронта в январе 2023 г. через Санкт-Петербург приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 Показания виртуальных приборов до прохождения (а) во время (б) и после прохождения холодного фронта через город (в)

Метеорологический тренажер реализован в виде 20-секундного видеоролика, демонстрирующего динамику изменения показаний виртуальных приборов. Студенты могут остановить видео в любой момент времени, чтобы снять показания с виртуальных приборов. Эта функция позволяет имитировать процесс сбора метеорологических данных в реальных условиях. Далее, полученные значения студенты должны закодировать согласно коду КН-01. Для этого им необходимо:

• Определить соответствующие группы кода КН-01 для каждого измеренного параметра.

• Преобразовать полученные значения в требуемый формат, учитывая единицы измерения и правила округления, предусмотренные кодом КН-01. Например, температура кодируется в целых градусах Цельсия, атмосферное давление - в целых гектопаскалях, а скорость ветра - в целых метрах в секунду.

• Сформировать полный код КН-01, объединив коды всех измеренных параметров в соответствии с установленным форматом. Это позволяет представить всю метеорологическую информацию в компактной и стандартизированной форме.

Рисунок 4 визуализирует процесс кодирования метеорологической информации. Слева представлена виртуальная панель тренажера с показаниями различных приборов. Цветные линии связывают каждый прибор с соответствующими группами кода КН-01 [3], представленного справа.

• Зелёная линия соединяет термометры (сухой и смоченный) с группами TTT (температура воздуха) и TdTdTd (температура точки росы). Это показывает, что показания термометров используются для определения и кодирования температуры воздуха и точки росы.

• Красная линия идет от барометра к группе PPP (атмосферное давление на уровне станции) и ppp (барометрическая тенденция). Это иллюстрирует кодирование давления и его изменений по показаниям барометра.

• Синяя линия связывает румбометр и анемометр с группой dd (направление ветра). Это показывает, как данные о ветре кодируются по показаниям соответствующих приборов.

• Голубая линия соединяет индикатор МДВ с группой VV (дальность видимости). Это демонстрирует, как значение метеорологической дальности видимости кодируется в КН-01.

• Желтая линия соединяет осадкомер с группой ff (скорость ветра).

Рисунок 4 – Схема кодирования кода КН-01

Разработанный метеорологический тренажер предназначен для использования в учебном процессе при изучении таких дисциплин, как "Гидрометеорологические измерения" (ГМИ), "Методы и средства гидрометеорологических измерений", а также в рамках учебной практики. Он особенно полезен для студентов факультета заочного обучения (ФЗО), поскольку предоставляет возможность получить практические навыки работы с метеорологическими данными и приборами без необходимости присутствия в учебной лаборатории. Использование реальных метеорологических данных, собранных во время прохождения холодного фронта через Санкт-Петербург, придает тренажеру практическую значимость и позволяет студентам работать с данными, близкими к тем, с которыми они столкнутся в своей профессиональной деятельности.

Интерактивный формат тренажера и возможность самостоятельной работы способствуют более эффективному усвоению материала и развитию необходимых компетенций будущих специалистов в области метеорологии. Дальнейшее развитие тренажера может включать в себя добавление новых метеорологических параметров, расширение функционала и интеграцию с другими образовательными ресурсами.

Литература

1. Зверев А.С. Синоптическая метеорология / отв. ред. П.И. Смирнов, отв. ред. Г.Г. Тараканов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. - 700 c.

2. Roland Stull. Wet-Bulb Temperature from Relative Humidity and Air Temperature // Journal of Applied Meteorology and Climatology. Т. 50, вып. 11. 2011. С. 2267–2269.

3. Сборник основных документов – 2 : Наставление по кодам, Том I.1 — Международные коды (ВМО-№ 306) // Library WMO URL: https://library.wmo.int/viewer/57883/?offset=2#page=4&viewer=picture&o=bookmark&n=0&q= (дата обращения: 03.12.2024).