Аэропортовые метеостанции представляют собой автоматизированные наборы датчиков , предназначенные для обслуживания авиационных и метеорологических операций, прогнозирования погоды и климатологии . Автоматизированные аэропортовые метеостанции стали частью хребта наблюдения за погодой в Соединенных Штатах и Канаде и становятся все более распространенными во всем мире благодаря своей эффективности и экономии средств.
В Соединенных Штатах существует несколько разновидностей автоматизированных метеостанций, которые имеют несколько тонких, но важных различий. К ним относятся автоматизированная система наблюдения за погодой ( AWOS ) и автоматизированная система наблюдения за поверхностью ( ASOS ).
Автоматизированные системы наблюдения за погодой ( AWOS ) в основном эксплуатируются, обслуживаются и контролируются государственными или местными органами власти и другими нефедеральными организациями и сертифицированы в рамках нефедеральной программы AWOS FAA. [2] FAA завершило модернизацию 230 AWOS, принадлежащих FAA, и бывших систем автоматизированных датчиков погоды (AWSS) до конфигурации AWOS-C в 2017 году. [3] AWOS-C является самым современным объектом AWOS, принадлежащим FAA, и может генерировать авиационные метеорологические отчеты в формате METAR/SPECI. AWOS-C функционально эквивалентен ASOS. [4] Принадлежащие FAA блоки AWOS-C на Аляске обычно классифицируются как блоки AWOS-C IIIP, в то время как все другие блоки AWOS-C обычно классифицируются как блоки AWOS III P/T. [5]
Системы AWOS распространяют данные о погоде различными способами:
Ниже приведены определения следующих конфигураций AWOS с точки зрения измеряемых ими параметров : [6]
Также возможны пользовательские конфигурации, такие как AWOS AV (параметры AWOS A плюс видимость). Несертифицированные датчики могут быть подключены к системам AWOS, но данные о погоде, полученные от этих датчиков, должны быть четко обозначены как «рекомендательные» в любых голосовых сообщениях и не могут быть включены в какие-либо наблюдения METAR.
По состоянию на 22 мая 2022 года следующие производители предоставляют сертифицированные FAA нефедеральные системы AWOS: [7]
Автоматизированная система наблюдения за поверхностью ( ASOS ) совместно эксплуатируется и контролируется в Соединенных Штатах NWS, FAA и DOD. После многих лет исследований и разработок развертывание единиц ASOS началось в 1991 году и было завершено в 2004 году.
Эти системы обычно сообщают с часовыми интервалами, но также сообщают специальные наблюдения, если погодные условия быстро меняются и пересекают пороговые значения для эксплуатации авиации. Они обычно сообщают все параметры AWOS-III, а также имеют дополнительные возможности сообщать температуру и точку росы в градусах по Фаренгейту, текущую погоду , обледенение , молнии , давление на уровне моря и накопление осадков .
Помимо обслуживания потребностей авиации, ASOS служит основной климатологической наблюдательной сетью в Соединенных Штатах, составляя сеть климатических станций первого порядка . Из-за этого не все ASOS расположены в аэропорту; например, одно из таких подразделений находится в замке Бельведер в Центральном парке , Нью-Йорк Сити ; другое находится в обсерватории Блю-Хилл недалеко от Бостона , Массачусетс .
FAA переоборудовала все автоматизированные системы датчиков погоды ( AWSS ) в блоки AWOS III P/T. В Национальной системе воздушного пространства США (NAS) не осталось систем AWSS . [3]
Автоматизированные метеорологические станции аэропортов используют разнообразное сложное оборудование для наблюдения за погодой.
Большинство старых автоматизированных метеорологических станций аэропортов оснащены механической системой флюгера и чашки для измерения скорости и направления ветра. Эта система проста по конструкции: ветер вращает три горизонтально повернутых чашки вокруг основания флюгера, обеспечивая оценку скорости ветра, в то время как флюгер наверху поворачивается таким образом, что его лицевая сторона оказывает наименьшее сопротивление ветру, заставляя его указывать в направлении, откуда дует ветер, и таким образом обеспечивая направление ветра.
Новое поколение датчиков использует звуковые волны для измерения скорости и направления ветра. Измерение основано на времени, которое требуется ультразвуковому импульсу для прохождения от одного преобразователя до другого, которое зависит, помимо прочего, от скорости ветра. Время прохождения измеряется в обоих направлениях для нескольких (обычно двух или трех) пар головок преобразователя. На основе этих результатов датчик вычисляет скорость и направление ветра. По сравнению с механическими датчиками ультразвуковые датчики предлагают несколько преимуществ, таких как отсутствие движущихся частей, расширенные возможности самодиагностики и сниженные требования к техническому обслуживанию.
Станции ASOS Национальной метеорологической службы и Федерального управления гражданской авиации США, а также большинство новых установок AWOS в настоящее время оснащены ультразвуковыми датчиками ветра.
В отличие от всех других измерений, которые проводятся на высоте от 3 до 9 футов (от 0,91 до 2,74 метра) над землей, скорость и направление ветра измеряются на высоте 30 футов (9,1 метра).
Для определения видимости автоматизированные метеорологические станции аэропортов используют один из двух типов датчиков:
Датчик прямого рассеяния использует луч инфракрасного света, который посылается с одного конца датчика к приемнику, но смещен относительно прямой линии к приемнику на определенный угол. Количество света, рассеянного частицами в воздухе и полученного приемником, определяет коэффициент затухания. Затем он преобразуется в видимость с использованием закона Алларда или Кошмидера.
В трансмиссометре луч видимого света передается от передатчика к приемной головке. Коэффициент затухания выводится из количества света, потерянного в воздухе.
Существуют также датчики, которые в определенной степени сочетают в себе трансмиссометр с датчиком прямого рассеяния.
Датчики прямого рассеяния более популярны из-за их более низкой цены, меньшего размера и меньших требований к обслуживанию. Однако трансмиссометры все еще используются в некоторых аэропортах, поскольку они более точны при низкой видимости и отказоустойчивы, т. е. в случае отказа сообщают о видимости ниже фактической.
Современные датчики способны сообщать о видимости в широком диапазоне. Для авиационных целей сообщаемые значения округляются до ближайшего шага в одной из следующих шкал:
Автоматизированные метеорологические станции аэропортов используют светодиодный идентификатор погоды ( LEDWI ) для определения того, выпадают ли осадки и какой тип осадков. Датчик LEDWI измеряет мерцательный рисунок осадков, выпадающих через инфракрасный луч датчика (приблизительно 50 миллиметров в диаметре), и определяет на основе анализа рисунка размера частиц и скорости падения, являются ли осадки дождем или снегом . [10] Если определено, что осадки выпадают, но рисунок не окончательно идентифицирован как дождь или снег, сообщается о неизвестных осадках. Автоматизированные метеорологические станции аэропортов пока не могут сообщать о граде , ледяной крупе и различных других промежуточных формах осадков.
Автоматизированные метеорологические станции аэропортов не имеют отдельного датчика для обнаружения конкретных затенений для зрения. Вместо этого, когда видимость снижается ниже 7 статутных миль , система использует сообщенную температуру и точку росы для определения затенения для зрения. Если относительная влажность низкая (т. е. существует большая разница между температурой и точкой росы), сообщается о дымке . Если относительная влажность высокая (т. е. существует небольшая разница между температурой и точкой росы), сообщается о дымке или тумане , в зависимости от точной видимости. Туман сообщается, когда видимость составляет 1/2 мили или меньше; дымка сообщается при видимости более 0,5 мили (0,80 км), но менее 7 миль (11 км). Если температура ниже нуля , [11] [12] влажность высокая, а видимость составляет 1/2 мили или меньше, сообщается о замерзающем тумане . [13]
Автоматизированные метеорологические станции аэропортов используют направленный вверх облакомер с лазерным лучом для определения количества и высоты облаков. Лазер направлен вверх, и время, необходимое для того, чтобы отраженный свет вернулся на станцию, позволяет рассчитать высоту нижней границы облаков. Из-за ограниченной зоны покрытия (лазер может обнаруживать только облака прямо над головой), системный компьютер вычисляет усредненный по времени облачный покров и потолок , которые сообщаются внешним пользователям. Чтобы компенсировать опасность быстро меняющегося покрытия неба, усреднение взвешивается в сторону первых 10 минут 30-минутного периода усреднения. Диапазон облакомера составляет до 25 000 футов (7 600 м) в зависимости от модели. [14] Облака выше этой высоты в настоящее время не обнаруживаются автоматизированными станциями.
Автоматизированные метеорологические станции аэропортов используют датчик температуры/точки росы (гигротермометр), предназначенный для непрерывной работы, который обычно остается включенным все время, за исключением периодов технического обслуживания.
Измерение температуры просто по сравнению с точкой росы. Работая по принципу изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры, резистивный температурный прибор с платиновой проволокой измеряет температуру окружающего воздуха. Текущий термометр ASOS обозначается как HO-1088, хотя некоторые старые системы все еще используют HO-83.
Напротив, измерение точки росы значительно сложнее. Оригинальный датчик точки росы, установленный в системах ASOS, использовал охлаждаемое зеркало, которое охлаждается до точки, при которой на поверхности зеркала образуется тонкая пленка конденсата. Температура зеркала в этом состоянии равна температуре точки росы. Гигрометр измеряет точку росы, направляя световой луч от небольшого инфракрасного диода на поверхность зеркала под углом 45 градусов. Два фототранзистора установлены таким образом, что они измеряют высокую степень отраженного света, когда зеркало чистое (прямое), и рассеянного света, когда зеркало покрыто видимым конденсатом (косвенное). С образованием конденсата на зеркале степень мутности поверхности зеркала увеличивается, при этом прямой транзистор получает меньше света, а косвенный транзистор — больше. Выходной сигнал этих фототранзисторов управляет модулем охлаждения зеркала, который представляет собой электронный тепловой насос , который работает во многом как термопара наоборот, создавая эффект нагрева или охлаждения. Когда датчик впервые активируется, зеркало чистое. По мере того, как температура поверхности зеркала охлаждается до температуры точки росы, на зеркале образуется конденсат. Электроника непрерывно пытается стабилизировать уровни сигнала на усилителе мощности, чтобы поддерживать температуру зеркала в точке росы. Если точка росы воздуха изменяется или если цепь нарушается шумом, контур вносит необходимые корректировки для повторной стабилизации в точке росы и поддержания непрерывной работы.
Из-за проблем с охлаждаемым зеркальным датчиком на объектах NWS ASOS теперь используется датчик Vaisala DTS1, который измеряет влажность только с помощью емкости . Датчик основан на твердотельном емкостном элементе относительной влажности, который включает в себя небольшой нагреватель, так что чувствительный элемент всегда находится выше температуры окружающей среды, что исключает образование росы или инея. Датчик напрямую сообщает о точке росы через расчет, основанный на измеренной относительной влажности и измеренной температуре нагретого емкостного элемента. [15]
В старых системах AWOS использовался датчик точки росы на основе хлорида лития. В современных системах AWOS используются емкостные датчики относительной влажности, с помощью которых рассчитывается точка росы. [16]
Данные с датчика барометрического давления используются для расчета настройки высотомера QNH . Пилоты полагаются на это значение для определения своей высоты . Для обеспечения безопасного отделения от рельефа и других препятствий от датчика давления требуется высокая степень точности и надежности.
Большинство авиационных метеостанций используют два (требуется для AWOS) или три независимых датчика давления. Датчики могут или не могут совместно использовать свои связанные трубки и внешние порты (разработанные для минимизации влияния ветра/порывов ветра). Если сообщаемые значения давления отличаются более чем на заданный максимум, значения давления отбрасываются, а настройка высотомера не сообщается или сообщается как «отсутствующая».
Настройка высотомера рассчитывается на основе барометрического давления, высоты местности, высоты датчика и (опционально) температуры воздуха.
Показания высотомера указываются в дюймах ртутного столба (с шагом 0,01 дюйма рт. ст.) или целых гектопаскалях, округленных в меньшую сторону.
Первоначальное устройство для измерения накопления осадков, используемое для автоматизированных метеорологических станций аэропортов, представляло собой подогреваемый опрокидывающийся дождемер . Верхняя часть этого устройства состоит из коллектора диаметром 1 фут (0,30 м) с открытым верхом. Коллектор, который нагревается для таяния любых замерзших осадков, таких как снег или град , направляет воду в двухкамерный вращающийся контейнер, называемый ведром . Осадки текут через воронку в один отсек ведра, пока не накопится 0,01 дюйма (0,25 мм) воды (18,5 граммов). Это количество веса заставляет ведро наклоняться на своих шарнирах , сбрасывая собранную воду и перемещая другую камеру под воронку. Опрокидывающее движение активирует переключатель (герконовый или ртутный переключатель ), который посылает один электрический импульс на каждые 0,01 дюйма (0,25 мм) собранных осадков.
Из-за проблем, которые возникают у подогреваемого опрокидывающегося ковша с надлежащим измерением замерзших осадков (особенно снега), был разработан всепогодный датчик накопления осадков ( AWPAG ). Этот датчик по сути является весовым датчиком , в котором осадки непрерывно накапливаются в коллекторе, и по мере увеличения веса осадки регистрируются. Только некоторые устройства NWS ASOS были оснащены AWPAG. [17]
Автоматизированные метеорологические станции аэропортов сообщают о замерзающем дожде с помощью резонансной частоты вибрирующего стержня. Резонансная частота уменьшается с увеличением нарастания (дополнительной массы) льда , инея , замерзающего тумана, замерзающей мороси , изморози или мокрого снега.
Чтобы сообщить о замерзающем дожде, система объединяет выходной сигнал датчика замерзающего дождя с данными от LEDWI. LEDWI должен предоставить положительное указание на неизвестные осадки или дождь, прежде чем система сможет передать отчет о замерзающем дожде. Если LEDWI сообщает об отсутствии осадков или снеге, система проигнорирует входной сигнал от датчика замерзающего дождя. Датчик предназначен для обнаружения и сообщения об обледенении при любых погодных условиях.
Многие автоматизированные метеорологические станции аэропортов в Соединенных Штатах используют Национальную сеть обнаружения молний ( NLDN ) для обнаружения молний с помощью автоматической системы обнаружения и сообщения о молниях ( ALDARS ). NLDN использует 106 датчиков по всей стране для триангуляции ударов молний. Данные из сети обнаружения поступают в ALDARS, которая, в свою очередь, отправляет сообщения на каждую автоматизированную станцию аэропорта, информируя ее о близости любых ударов молний. Удары молнии в пределах 5 миль (8,0 км) от станции приводят к сообщению о грозе на станции (TS). Удары молнии на расстоянии более 5 миль (8,0 км), но менее 10 миль (16 км) от станции приводят к сообщению о грозе в непосредственной близости от станции (VCTS). Молния на расстоянии более 10 миль (16 км), но менее 30 миль (48 км) от станции приводит только к замечанию о далекой молнии (LTG DSNT). [18]
Однако некоторые станции теперь имеют собственный датчик молнии, чтобы фактически измерять удары молнии на месте, а не требовать внешнего обслуживания. Этот датчик грозы работает, обнаруживая как вспышку света, так и мгновенное изменение электрического поля, создаваемого молнией. Когда оба эти события обнаруживаются в течение нескольких миллисекунд друг от друга, станция регистрирует возможный удар молнии. Когда второй возможный удар молнии обнаруживается в течение 15 минут после первого, станция регистрирует грозу. [19]
Распространение данных обычно осуществляется через автоматизированную радиочастоту VHF- диапазона (108-137 МГц) в каждом аэропорту , транслирующую автоматизированные наблюдения за погодой. Часто это происходит через автоматическую службу информации о терминале (ATIS). Большинство автоматизированных метеостанций также имеют отдельные телефонные номера для получения наблюдений в реальном времени по телефону или через модем.
В Соединенных Штатах система сбора данных AWOS/ASOS (ADAS), компьютерная система, управляемая Федеральным управлением гражданской авиации США, опрашивает системы удаленно, получая доступ к наблюдениям и распространяя их по всему миру в электронном виде в формате METAR .
В настоящее время автоматизированные метеорологические станции аэропортов не могут сообщать о различных метеорологических условиях. К ним относятся:
Поскольку многие из них могут представлять опасность для самолетов, и все они представляют интерес для метеорологического сообщества, большинство более загруженных аэропортов также имеют временных или постоянных наблюдателей, которые дополняют или предоставляют дополнительную информацию для наблюдений автоматизированной метеорологической станции аэропорта. Продолжаются исследования, чтобы позволить автоматизированным станциям обнаруживать многие из этих явлений.
Автоматизированные станции также могут страдать от механических поломок, требующих ремонта или замены. Это может быть вызвано либо физическим повреждением (естественным или вызванным человеком), либо механическим износом, либо сильным обледенением в зимнюю погоду. Во время сбоев в работе системы наблюдатели-люди часто должны дополнять отсутствующие или нерепрезентативные наблюдения с автоматизированной станции. Также ведутся исследования по созданию более надежных систем, которые менее уязвимы к естественным повреждениям, механическому износу и обледенению.
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )